氧化铜薄膜的制备及钙钛矿薄膜太阳电池稳定性研究

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氧化铜(CuO)是一种直接带隙的p型无机化合物半导体,光学带隙约1.4eV,理论上其同质结太阳电池的光电转换效率高达31%,是一种优良的光伏材料。但n型CuO制备工艺不成熟,且本征(p型)CuO电学性能差,制约了 CuO太阳电池的发展;在太阳电池领域,有机无机杂化的钙钛矿太阳电池(PSCs)由于钙钛矿材料(CH3NH3PbI3)优异的光电性能,目前其光电转换效率(PCE)已高于22%,但PSCs存在空气(H20和02)稳定性和热稳定性差的问题,限制了其商业化发展。本文采用脉冲激光技术(PLD)制备了 n型CuO薄膜,并研究了 Li掺杂对p型CuO电学特性的影响,同时围绕PSCs稳定性进行了研究,开展了以下工作:第一部分研究了氧气压强对CuO薄膜的结构、光学、电学性能的影响,研究发现,氧气压强为3×10-3Pa时得到Cu2O相,3-5Pa时得到Cu20-CuO混合相,8-12 Pa时可以获得纯CuO相,霍尔效应表明8Pa以下沉积的薄膜导电类型为p型,8Pa以上为n型导电,气敏传感性能测试结果与霍尔测试结果一致,说明在适当的沉积条件下可以成功制备n型CuO。第二部分为了提高p型CuO薄膜的电学性能,对CuO进行了 Li掺杂研究。研究表明,Li掺杂不会影响CuO的晶体结构,但使晶粒变大;掺杂浓度由0增加至3wt.%的过程中,薄膜带隙减小后稍微增大;随着掺杂浓度的由0增至2wt.%,载流子浓度由3.11×1016cm-3增大至1.10×1019cm-3,电阻率由319Ω·cm减少至76Ω·cm;继续增大掺杂浓度至3wt.%,载流子浓度又降低到8.62×1018cm-3,电阻率增加到82.6Ω·cm。因此,最佳掺杂浓度为2wt.%。第三部分研究了 PSCs在相对湿度为45%时的空气稳定性和N2氛围中80℃下的热稳定性。在Au电极和spiro-OMeTAD之间通过压印技术引入化学气相沉积的单层石墨烯,以阻止空气和加热时Au扩散到钙钛矿层中。研究表明,在空气中老化96h或热退火12h,具有石墨烯阻挡层的PSCs的PCE仍可保持95%以上,其稳定性远远高于不含石墨烯的PSCs(~56%)。研究表明,石墨烯可以有效阻止水氧和金属电极向钙钛矿层的扩散,达到对钙钛矿层的保护。这是大面积石墨烯在钙钛矿稳定性方面的首次应用,对于提高其他光伏器件、集成电路芯片以及发光二极管的稳定性提供了重要的参考价值。
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