平板正式钙钛矿太阳能电池的稳定性研究及大面积制备

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钙钛矿太阳能电池是一种极具发展潜力的新型太阳能电池,其光电转换效率在十年内从3.8%快速提升至24.2%,与晶硅太阳能电池性能相当。然而,钙钛矿太阳能电池存在对湿度、温度以及光照极为敏感,在环境条件下不能够长期工作,且大面积制备过程中均匀性难以控制等问题,阻碍了钙钛矿太阳能电池的商业化进程。提高钙钛矿器件的稳定性主要从材料本身特性及制备工艺出发,本论文基于溶液法制备平板正式结构的钙钛矿太阳能电池,系统地分析了电子传输层、钙钛矿吸光层以及制备工艺对于器件稳定性的影响,并应用在大面积组件中。通过优化电子传输层和钙钛矿吸光层,来探究钙钛矿器件在不同的湿度、温度以及光照条件下的稳定性及其影响机理。这为实现钙钛矿太阳能电池的商业化应用提供了一定参考意义。本论文的主要研究结果总结如下:(1)探究了多种电子传输层对钙钛矿太阳能电池光电性能的影响,包括高温喷雾热解法制备的TiO2、旋涂氧化锡纳米胶体水溶液制备的SnO2以及二者结合制备的叠层电子传输层(TiO2/SnO2)。研究表明TiO2/SnO2叠层电子传输层比单层电子传输层性能更优,并以此制备出光电转换效率达18.03%且无迟滞的钙钛矿器件。通过测试不同电子传输层对于器件的湿度、温度和光照稳定性影响,结果显示具有TiO2/SnO2叠层电子传输层器件相对于单层电子传输层器件,在不同条件下的稳定性都有一定程度的提高。(2)选择化学浴沉积法水解SnCl2·2H2O制备SnO2电子传输层,优化了SnO2薄膜的制备工艺。通过调整SnO2薄膜的沉积周期数以控制薄膜厚度,同时用不同浓度的(6,6)-苯基-C61丁酸甲酯(PCBM)对SnO2薄膜进行界面优化。由此获得了光电转换效率超过19%的小面积器件和光电转换效率达15.88%的大面积组件(尺寸为6.5 cm×6.5 cm,有效面积为20.56 cm2)。长期稳定性测试结果表明,经过聚异丁烯(PIB)胶封装的组件在大气环境中存放720 h后仍能保持初始效率的80%左右。(3)通过在甲胺铅碘型钙钛矿(MAPbI3)体系中引入叔丁基碘化铵(t-BAI),探究了不同掺杂量的大尺寸叔丁胺阳离子(t-BA+)对于钙钛矿薄膜晶体质量及器件性能的影响。通过XRD测试证明t-BA阳离子可以取代钙钛矿晶体结构中的MA阳离子,使得钙钛矿晶粒尺寸增大,晶体质量提升,在高湿度的大气环境下可制备出性能优异的器件。与MAPbI3型器件相比,掺杂后的器件效率从17%显著提升至19.3%。此外,该体系的钙钛矿器件在高温或高湿条件下的衰减程度均有明显下降。
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