【摘 要】
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SnO2薄膜由于其低温可制备性和优越的光电性能,成为钙钛矿太阳能电池中电子传输层的热门材料。基于SnO2电子传输层的钙钛矿太阳能电池效率已高达23.32%,展现出SnO2薄膜在钙钛矿太阳能电池商业和工业化应用中的巨大潜力。现阶段,SnO2薄膜主要通过溶液法和气相沉积技术两种方法制备,其中溶液旋涂法简单、高效;但以此方法制备的SnO2薄膜存在缺陷数量高、成膜均匀性差等问题,限制了太阳能电池性能的提升
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SnO2薄膜由于其低温可制备性和优越的光电性能,成为钙钛矿太阳能电池中电子传输层的热门材料。基于SnO2电子传输层的钙钛矿太阳能电池效率已高达23.32%,展现出SnO2薄膜在钙钛矿太阳能电池商业和工业化应用中的巨大潜力。现阶段,SnO2薄膜主要通过溶液法和气相沉积技术两种方法制备,其中溶液旋涂法简单、高效;但以此方法制备的SnO2薄膜存在缺陷数量高、成膜均匀性差等问题,限制了太阳能电池性能的提升。为了改善SnO2薄膜的成膜质量,本文探究了前驱体溶液种类对旋涂制备的SnO2薄膜性能的影响。为了进一步改善SnO2薄膜成膜质量、提高薄膜导电性和表面功函数,还在此基础上研究了不同离子掺杂对SnO2薄膜质量的影响及其在钙钛矿太阳能电池中的应用。具体研究内容和主要结果如下:本文采用SnCl2的乙醇溶液和稀释的SnO2水胶体溶液分别作为前驱液制备SnO2薄膜,探究了前驱体溶液浓度对SnO2薄膜性能的影响。通过调控前驱体溶液浓度发现,基于0.1 M（mol/L）SnCl2的乙醇溶液和稀释比为1:3（SnO2水胶体原液与去离子水体积比）的SnO2水胶体溶液制备的SnO2薄膜更加均匀致密,并且可以作为防反射层增加基底光透过率。对比两种前驱体制备的SnO2薄膜性能可知,SnCl2乙醇溶液制备的薄膜存在SnCl2反应不够完全、有大量Cl-离子残留和孔洞较多等问题;而SnO2水胶体溶液制备的薄膜则成分更纯粹,缺陷态较少,成膜均匀致密。基于SnO2水胶体溶液所得薄膜的太阳能电池器件效率高达11.90%,填充因子为53.38%。为了进一步改善SnO2水胶体基薄膜的光电性能,本文选取了具有不同电子结构的两种离子Zn2+和Nd3+对薄膜进行掺杂。当Zn2+掺杂浓度为1.5mg/m L时,SnO2薄膜在350～550 nm之间透过率有所增加,薄膜表面形貌更加平整均匀,粗糙度变小,晶粒尺寸略微增加,电导率显著增大。在钙钛矿太阳能电池中,其与钙钛矿吸光层的能级更加匹配,最终得到了效率达15.65%,填充因子为59.78%的器件。基于Nd3+掺杂的SnO2薄膜与钙钛矿层之间的接触更加紧密贴合,结晶取向度高,电阻率更小,载流子传输速度快。在能级方面,其导带底在Zn2+掺杂的基础上进一步下降,使得钙钛矿层和电子传输层能级差值更大,更有利于电子传输。基于的Nd3+掺杂的电池器件效率高达16.58%,开路电压升高到0.97 V。
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