低温制备介孔二氧化锡薄膜在钙钛矿电池中的应用研究

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应用于高效钙钛矿太阳能电池光吸收层的材料是一种有机-无机杂化铅卤化物钙钛矿材料,其具有光吸收系数高和载流子扩散距离长等优点。自2009年至2020年,光电转换效率从3.8%迅速提升到25.2%,已经能够与商业化的晶硅太阳能电池相媲美,成为未来最有可能与晶硅太阳能电池一样走向商业化的新型太阳能电池。钙钛矿太阳能电池根据电子传输层结构的不同可以分为介孔结构和平面结构。从TiO2作为电子传输层的发展历史可以看出,相较于平面氧化钛(p-TiO2),只有介孔氧化钛(m-TiO2)作为电子传输层制备的器件拥有更优异的性能。因为介孔结构可以增加电子传输层对钙钛矿层中光生电子的提取,同时相较于平面结构有更小的迟滞效应。近年来,平面结构SnO2作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池得到了迅速地发展。相比之下,m-SnO2的制备工艺较为复杂,且需要经过高温过程,但高温过程会降低SnO2的性能,因此很少有报道采用m-SnO2作为器件电子传输层。本文采用一种低温过程制备m-SnO2作为电子传输层,相较于p-SnO2增加了对电子的提取能力,一定程度上减小了迟滞效应,提升了器件性能。并在此基础上将该方法制备的m-SnO2应用于TiO2/SnO2双电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池,进一步提升了对电子的提取能力。论文主要研究内容如下:1、采用聚乙二醇(PEG)作为造孔剂,并采用低温工艺制备m-SnO2薄膜作为电子传输层,使用两步旋涂法制备钙钛矿薄膜,制备的钙钛矿太阳能电池器件增加了电子传输层对电子的提取能力。通过在SnO2溶液中加入造孔剂PEG制备m-SnO2前驱体溶液,将其旋涂在在基底上,并通过低温过程制备介孔结构电子传输层。介孔结构的形成,使钙钛矿薄膜与电子传输层的接触面积增加,面积的增加会使电子更多的通过界面到达电子传输层,增加了电子传输层对电子的提取能力。采用的结构是:ITO/p-SnO2/m-SnO2/perovskite/Spiro-OMeTAD/Ag。m-SnO2电子传输层薄膜引入后的结果显示:当造孔剂含量体积比为6%时,制备的m-SnO2薄膜做为电子传输层,使器件获得了最优的性能20.82%,相较于平面结构,能够反应电子提取能力的填充因子(FF)和短路电流密度(Jsc)都获得了明显的提升。2、将造孔剂PEG制备的m-SnO2薄膜应用于TiO2/SnO2双层结构电子传输层,形成TiO2/SnO2/m-SnO2三电子传输层结构,用于提升电子传输层对电子的提取能力。有报道结果显示TiO2/SnO2双电子传输层相较于TiO2或SnO2单电子传输层有更好的电子提取能力,本文将介孔结构应用于双电子传输层结构,进一步提升电子传输层对电子的提取能力。器件采用的结构是:FTO/p-TiO2/p-SnO2/m-SnO2/perovskite/Spiro-OMeTAD/Ag。结果显示:该结构的应用使器件的填充因子(FF)达到了 78.7%,相较于单电子传输层和TiO2/SnO2双电子传输层对电子的提取能力有明显的提升。论文通过引入PEG作为造孔剂,并采用低温过程制备m-SnO2薄膜作为电子传输层,提升了电子传输层对电子的提取能力;将m-SnO2薄膜应用于TiO2/SnO2双电子传输层后进一步提升了电子的提取能力。
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