平面异质结型钙钛矿太阳能电池研究

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钙钛矿太阳能电池自2009年首次出现以来,经过约7年时间发展,光电转换效率已经从最初3.81%增长到如今20.1%,并且成为第三代太阳能电池中新的一个分支。由于以CH3NH3PbI3为代表的钙钛矿材料拥有光吸收系数高、双极型导电性、载流子扩散长度长等特性,钙钛矿太阳能电池从最初量子点敏化结构发展出了多种电池结构,而其中平面异质结型电池结构简单、光电转换效率高、柔性衬底兼容性好,展现出更好的应用前景。因此,本文对平面异质结型钙钛矿电池开展了研究,着重探讨电池中对电极/空穴传输层界面结构、TiO2电子传输层形貌、ZnO电子传输层和NiO空穴传输层对光伏性能的影响。  本文首先探讨了对电极/空穴传输层界面结构对钙钛矿电池光伏性能的影响,采用真空热蒸发和溅射沉积两种方法在spiro-MeOTAD空穴传输层上沉积Ag对电极。热蒸发法粒子平均动能较小,制备的对电极/空穴传输层界面清晰,无扩散发生,适合对电极沉积。而溅射法粒子平均动能较大,溅射粒子进入软质空穴传输层,导致对电极/空穴传输层界面模糊。同时,进入空穴传输层的Ag粒子构成空穴陷阱位,捕获和束缚空穴,导致空穴传输层电阻增大,电池填充因子降低,影响转换效率。为了探讨TiO2电子传输层形貌对钙钛矿电池光伏性能的影响,采用溶胶旋涂、喷雾热解和磁控溅射三种方法制备了TiO2电子传输层。比较三种制备方法,磁控溅射法电子传输层在均匀性和致密性方面更具优势,因此具备更好的空穴阻挡能力、荧光淬灭能力和电子提取能力,有利于提高电池性能。结果表明,以磁控溅射法TiO2电子传输层实现了超过16%的转换效率。针对TiO2导电性较低的问题,采用ZnO作为电子传输材料,探讨了ZnO电子传输层对钙钛矿吸光层形貌和钙钛矿电池性能的影响。研究表明,由于ZnO与钙钛矿分解产物中的CH3NH3I发生反应,加速了钙钛矿的分解,导致吸光层形貌和电池光伏性能对热处理温度较为敏感。与TiO2相比,ZnO上钙钛矿吸光层的分解温度低了50℃,说明电子传输层与钙钛矿吸光层的相互作用显著影响钙钛矿材料的稳定性。最后采用NiO作为空穴传输材料,制备了反式结构钙钛矿电池,探讨了NiO空穴传输层厚度对光伏性能的影响。随着NiO空穴传输层厚度增加,其电子阻挡能力增强,电子空穴复合受到抑制,使得填充因子增大、电池转换效率得到提高。随着NiO空穴传输层厚度进一步增加,空穴在NiO层内的传输距离变长,空穴收集受到影响,复合速率加快,因此短路电流密度和填充因子出现衰减,导致转换效率降低。
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