基于低毒溶剂及拓扑绝缘体电极的钙钛矿太阳能电池研究

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钙钛矿太阳能电池由于其具有光电转换效率高、制备工艺简单及成本低廉等众多优点近年来逐渐引起了科研工作者的广泛关注,且发展极为迅速,短短几年之内,其单节电池的转换效率已经突破25%,可以与市面上广泛应用的硅太阳能电池、成熟的碲化镉和铜铟镓硒薄膜太阳能电池相媲美。其中,反式平面异质结型钙钛矿太阳能电池的制备全程都可在较低的温度下完成,制备工艺简单,制备成本较低,而且能够适用于柔性太阳能电池的制备,因而该类电池逐渐引起了广大科研工作者们的研究兴趣。目前实验室中反式平面异质结型柔性钙钛矿太阳能电池的最高转换效率为19.0%,已经达到了商业应用的水平,但是它在走向实际商业应用的道路上仍然面临了许多挑战。比如,在制备柔性钙钛矿太阳能电池的过程中缓解毒性污染问题,同时要保证电池的能量转换效率和稳定性。本论文以NiOx基反式平面异质结型钙钛矿太阳能电池为研究核心,通过引入新的低毒反溶剂并扩展到引入低毒的溶剂体系,缓解了柔性钙钛矿太阳能电池制备过程中的毒性污染问题,同时也保证了电池的能量转换效率和稳定性。本论文主要开展了以下三个方面工作:
  (1)首先,采用了毒性较低的硅酸四乙酯(TEOS)代替传统具有高毒性的甲苯(TL)及氯苯(CB)作为反溶剂用于制备MAPbI3钙钛矿薄膜,缓解了电池制备过程中的毒性污染问题。研究发现,与TL及CB反溶剂相比,采用TEOS制备的钙钛矿薄膜质量较好且晶粒尺寸较大,有利于提升电池的性能,其最佳能量转换效率达到17.02%。同时,由于不同反溶剂物理特性的差异,采用TEOS作为反溶剂会使得钙钛矿前驱体膜中形成的是纯的中间相而不是中间相与钙钛矿的混合物,加宽了反溶剂操作区间,有利于提高电池制备的重复性。
  (2)其次,采用了无毒的原碳酸四乙酯(TEOC)代替CB作为反溶剂用于制备MAPbI3钙钛矿薄膜,同时采用了毒性较低的的苯甲醚(AS)代替CB作为PCBM电子传输层的溶剂,进一步缓解了电池制备过程中的毒性污染问题。研究发现,采用该低毒溶剂体系(TEOC-AS)所制备的钙钛矿晶粒尺寸更大、薄膜质量更好且PCBM薄膜更加致密光滑,进一步提高了电池的能量转换效率,其最佳值为18.15%。
  (3)在前面低毒制备方案基础之上,采用了拓扑绝缘体Bi2Te3取代传统的金属Ag作为对电极,并将其应用于柔性钙钛矿太阳能电池的制备。研究发现,采用Bi2Te3代替Ag对电极之后,一方面,由钙钛矿层到电极的载流子传输速率加快,从而能有效的提升电池的能量转换效率,其最高值达到了18.16%;另一方面,电池的耐弯折性明显增强,即使在4mm的曲率半径下重复弯曲1000次后其性能仍能保持原来的95%以上;此外,未封装电池在空气中的稳定性、热稳定性及光稳定性均被显著提高。在空气中暗态下常温保持1000小时后其性能无明显下降,在保护气氛中暗态下85℃连续处理1000小时或者在低湿度空气中连续光照1000小时后其性能仍能保持原来的85%左右。
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