气相辅助溶液法中反应气氛对甲胺铅溴钙钛矿电池性能影响研究

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甲胺铅溴钙钛矿太阳电池开压高、稳定性好,作为叠层电池的窗口层有很大的潜力,因而受到学术界的广泛关注。气相辅助溶液法工艺简单、成本较低,制备的钙钛矿薄膜致密、均匀、平整,且可控性与重复性高,是制备钙钛矿薄膜的重要方法。本文采用气相辅助溶液法制备甲胺铅溴钙钛矿太阳电池,首先探究了 PbBr2的最佳浓度和PbBr2与CH3NH3Br的最佳反应时间分别为1M和2Omin。然后本文在Ti02介孔层和C60电子传输层上分别制备甲胺铅溴薄膜,通过透过率表征发现C60会造成更多的入射光损失,通过SEM和AFM表征发现TiO2介孔层上生长的钙钛矿薄膜比C60电子传输层上生长的薄膜表面更加平整光滑。将薄膜组装成电池得到平面结构的电池效率为3.34%,介孔结构的电池效率3.53%,介孔结构电池具有更好的光电性能。通过EIS测试进一步研究发现,介孔结构的电池相比平面结构的电池载流子寿命更长,传输电阻更小,电池性能更好。在真空、氮气以及空气环境下生长甲胺铅溴钙钛矿薄膜,我们研究发现气相辅助溶液法中反应气氛对钙钛矿薄膜的生长有着重要的影响。本文从SEM和AFM的测试结果发现,与真空气氛相比,氮气气氛中生长的甲胺铅溴薄膜晶粒尺寸更大、薄膜更加均匀平整,而空气气氛中生长的甲胺铅溴薄膜存在孔洞、覆盖性差,粗糙度大。通过XRD、UV-vis、稳态PL和瞬态PL测试可知,氮气下生长的甲胺铅溴钙钛矿薄膜结晶性更好,缺陷更少,载流子寿命更长,与电子传输层接触后载流子能更快地被传输走。将不同气氛下生长的钙钛矿薄膜组装成电池,通过光电性能测试测得氮气条件制备的介孔结构的电池光电性能最佳,其转换效率为4.88%,短路电流、开路电压、填充因子分别为5.95 mA/cm2、1.2 V、68.29%,真空条件电池效率略低,为3.53%,空气条件电池效率最低为2.25%。通过电化学阻抗分析以及开压衰减测试可知,相比真空条件,氮气条件制备的电池载流子寿命更长,传输电阻更小,电池性能更好。
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