高效平面钙钛矿太阳能电池中新型空穴传输材料的研究与优化

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近年来,随着生态环境的恶化以及温室效应的加剧,太阳能光伏产业迅速发展,其中钙钛矿太阳能电池由于其光电转换效率高、制备工艺简单引起人们广泛关注,与此同时钙钛矿太阳能电池的稳定性表现以及缺乏有效的商业化制备方法也在限制着其发展。空穴传输层在钙钛矿太阳能电池器件中扮演着重要的角色,合理优化空穴传输层能够有效提升钙钛矿太阳能电池的光电转换效率、改善器件的稳定性。平面反向结构钙钛矿太阳能电池中一般以PEDOT:PSS材料为空穴传输层,本文从有机、无机两个角度出发,分别提出了代替原PEDOT:PSS材料的方法,并利用大量表征手段测试了新空穴传输膜层以及基于新膜层器件的性能,主要内容如下:1)对于新型有机空穴传输层,采用酸性更低导电性更强的PDA:PEDOT:LS材料代替PEDOT:PSS材料。对PDA:PEDOT:LS膜层的表面形貌、光吸收性、疏水性进行了测试;对基于PDA:PEDOT:LS膜层的器件进行了性能测试与电学表征,结果表明该类型器件光电转换效率较PEODT:PSS器件更高且在制备时更为可靠2)对于新型无机空穴传输层,提出使用低温溶液自然烧法制备NiOx薄膜的方法,通过控制退火时间与退火温度,成功探索出低温溶液自然烧法的最优制备条件,使用优化过的两步法来沉积MA1-y-y FAyPbI3-xClx钙钛矿层,最终获得了光电转换效率超过20%的钙钛矿太阳能电池器件,其开路电压Voc为1.12 V、短路电流密度Jsc为23.7 mA/cm2、填充因子FF为0.76,各项性能远超高温法NiOx器件与有机PEDOT:PSS器件。3)由于低温溶液自然烧法制备的NiOx膜层对器件性能提升明显,我们利用高温法NiOx为对比,对两种方法制备的NiOx膜层与基于不同膜层的器件进行了大量的表征测试。证明了低温法NiOx膜层表面光滑致密且其薄膜质量更好,在低温法NiOx膜层上沉积的钙钛矿晶粒尺寸更大且分布致密,基于低温法NiOx膜层的器件中电荷传输更有效、电荷提取更快、电荷复合更少、缺陷态更少。4)对基于PDA:PEDOT:LS空穴传输层的器件与基于低温溶液自然烧法NiOx空穴传输层的器件在未封装情况下进行了为期一个月的稳定性测试。一个月后PDA:PEDOT:LS器件性能未见衰减,低温法NiOx器件光电转换效率仅下跌了6.3%,两者稳定性表现优异,而原PEDOT:PSS器件效率已衰减为原来的50%。
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