纤维状钙钛矿太阳能电池的制备及其光电性能研究

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钙钛矿太阳能电池由于近年来光电转换效率不断突破而逐渐受到人们广泛关注。因为全固态、高效率以及质量轻等特点,钙钛矿电池的应用范围逐步延伸到可穿戴设备的应用领域。高光电转换效率钙钛矿太阳能电池往往通过溶液法在氧化铟锡导电玻璃(ITO)、掺杂F的氧化锡导电玻璃(FTO)等基底上沉积得到,然而玻璃材料质量大、易破碎等缺点限制了其在可穿戴设备上的应用。因此,本文从界面修饰和结构设计出发,研究了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)对钙钛矿薄膜的钝化效果并设计组装了纤维状结构的钙钛矿太阳能电池。主要研究内容如下:(1)设计组装了柔性钛丝基底纤维状钙钛矿太阳能电池。以直径为200 nm的钛丝为基底,设计了结构为钛丝/Ti O2/钙钛矿/Spiro-OMe TAD/Ag@Cu的纤维状钙钛矿太阳能电池。分别以水热法、微波水热法以及溶液凝胶法制备二氧化钛层,并从中选择合适的方法作为电子传输层。同时以两步法制备了钙钛矿光敏层,探讨了前驱体浓度、涂覆次数以及退火温度对薄膜的影响,最终获得高均匀度、高覆盖率的光敏层。优化工艺后器件的最佳光电转换效率达到了5%,证明了柔性纤维状钙钛矿太阳能电池的可能性及应用潜力。(2)以柔性石墨烯纤维基底替代钛丝基底制备纤维状钙钛矿太阳能电池。以湿法纺丝制备了石墨烯纤维并将其还原成导电纤维,研究了纤维的柔性及导电性能,探讨了其作为柔性电极的可能性。最后,以最佳电子传输层制备工艺和钙钛矿涂敷工艺制备了纤维状钙钛矿太阳能电池。将石墨烯电池与钛丝电池的器件性能进行比较。综合各方面来看,石墨烯电池性能较差但柔性较好,能够承受一定的弯折后继续工作。石墨烯电池的最终效率为0.17%。(3)将绿色无污染聚合物PVP添加到反溶剂内通过一步旋涂法加入到钙钛矿薄膜中进行界面修饰。PVP内含有碳氧双键(C=O),可以与钙钛矿(MAPb I3)中游离的碘化铅离子配位,达到钝化钙钛矿薄膜缺陷的效果。同时,C=O键可以与甲基碘化铵(MA+)阳离子通过形成氢键的方式结合,限制MA+离子的移动,起到引导钙钛矿生长的作用。实验结果证明,优化后的钙钛矿结晶有更大的颗粒尺寸,并且在荧光光谱测试中受光照激发产生的载流子具有更长的存活寿命。经过测试,在空气中组装的钙钛矿太阳能电池拥有18.2%的最佳光电转换效率。
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