钙钛矿太阳电池中电极界面层的研究

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近年来,新型钙钛矿太阳电池取得了快速的发展,光电转换效率从初始的3.8%迅速提高到了20%以上,与商业化多年的硅基太阳电池效率相当。因此,钙钛矿太阳电池被认为是最具有商业化潜力的新型太阳电池之一。在钙钛矿太阳电池中,电子传输层作为透明电极和钙钛矿之间的界面层,具有收集电子,传输电子,抑制电子—空穴复合等作用。故电子传输层的性能在一定程度上影响着钙钛矿太阳电池的性能。另一方面,在保证光电转换效率的基础上,降低成本,提高稳定性逐渐成为钙钛矿太阳电池的发展方向。在本文中,我们以钙钛矿太阳电池为研究对象,重点研究了钙钛矿层和电极之间的界面接触对器件性能的影响。通过对TiO2电子传输层掺杂不同粒径的TiO2纳米颗粒,研究了粒径不同对平面结构钙钛矿太阳电池的性能的影响;另一方面,通过开发一种低温碳浆料来制作钙钛矿太阳电池的背电极,研究了碳电极与钙钛矿层之间的界面接触问题,从而得到更稳定的钙钛矿太阳电池。主要内容如下:1.具有平面结构的钙钛矿太阳电池以其简单的器件结构和小的迟滞效应而受到人们的青睐。与传统的介孔结构的器件相比,平面结构器件没有TiO2多孔支架层,由致密TiO2电子传输层完成提取电子,传输电子和堵塞空穴的功能。因此,致密TiO2电子传输层的性质对太阳能电池的性能有着至关重要的影响。在本工作中,我们开发了一种混合喷雾热解法,将不同粒径的TiO2纳米颗粒加入到前驱体溶液中,制备了致密的TiO2电子传输层。优化的纳米颗粒尺寸为60nm,相应器件的光电转换效率为16.7%,而未加入纳米颗粒的器件,光电转换效率为9.9%,因此加入纳米颗粒后器件效率明显高于未加入纳米颗粒的器件。2.相比于贵金属电极的钙钛矿太阳电池,碳电极因其较低的成本以及简单的制作工艺而越来越受到科研人员的关注。在本工作中,我们用石墨和炭黑为主要原料,开发了一种低温碳浆料,用丝网印刷方法制备了碳电极。我们以(FTO/致密TiO2/介孔TiO2/钙钛矿/碳电极)这种器件结构为基础,将无机空穴材料CuSCN作为空穴传输层加入到钙钛矿层和碳电极中间以后,提高了空穴的提取能力,光电转换效率从7.3%提高至11.8%。为了进一步提高器件性能,我们在CuSCN和碳电极中间加入一层炭黑层来改善界面接触,通过扫描电子显微镜图片可以清楚的看到炭黑球状小颗粒可以和CuSCN紧密接触,提高了碳电极的电荷收集能力,效率从11.8%提高至15.5%。同时,和金电极的器件相比,碳电极器件的湿度稳定性和光照稳定性都获得了明显提高。湿度老化2000小时后,碳电极器件的效率仍能保持初始效率的68.1%,而金电极的器件老化后效率仅为初始效率的38.7%。光照老化500小时后,碳电极器件的效率仍能保持初始效率的63.6%,金电极的器件效率仅为初始效率的36.2%。
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