高效稳定钙钛矿太阳能电池中空穴传输层的调控与研究

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近十年来,钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其卓越的光电特性备受研究,其光电转化效率已经攀升至25.5%,并且仍有上升空间。同时,兼备成本低和制备工艺简单的优势使PSCs具有巨大的商用潜力。然而,在实现商用前还有两个亟需解决的难题,一方面是提高器件在工作中的稳定性,另一方面是探索制膜工艺实现高效的大面积电池组件。除了追求高质量的钙钛矿薄膜之外,PSCs的性能还与各功能层密切相关,因此,优化空穴传输层对实现更高效稳定的PSCs有着十分重要的意义。本论文通过对前驱体溶液体系进行调控,选用合适的添加剂以及溶剂体系研究制备具有优异空穴提取及传输能力的空穴传输层,抑制器件的迟滞现象,从而获得了高效稳定的PSCs。同时选用狭缝挤出印刷方法制备大面积的空穴传输层,为实现PSCs的商业化提供了一定思路,主要研究内容如下:(1)选用K-FSI新型添加剂及四氢呋喃溶剂制备均匀平整、高空穴迁移率的spiro-OMe TAD空穴传输层。以K-spiro制备的PSCs实现了反向扫描20.94%和正向扫描21.02%的光电转化效率,高于传统的Li-spiro电池(反向扫描19.75%,正向扫描16.37%)。测试表明引入的K+钝化界面缺陷,抑制离子迁移,完全消除迟滞现象,改善了Li+导致的电池稳定性不佳的问题。(2)在PTAA空穴传输层中添加高导电性的离子液体,通过筛选发现疏水型咪唑基离子液体BMI-TFSI能提高薄膜的空穴提取及传输能力。在最优浓度下,电池效率高达19.77%,电流密度明显提升。大尺寸阳离子的引入能减少离子迁移及缺陷导致的电荷复合,改善界面接触,因此,电池获得良好的光照及热稳定性。此外,将BMI-TFSI离子液体添加到spiro-OMe TAD中也能制备出最优效率为19.71%的电池,证明其可作为一种普适型添加剂。(3)本文采用狭缝挤出印刷工艺(slot-die)以及乙酸乙酯溶剂制备6 cm×6 cm大面积spiro-OMe TAD薄膜。测试表明基于该方法印刷的薄膜有着良好的均匀性以及更优异的空穴提取能力,避免了旋涂法导致的薄膜缺陷,制备的电池组件效率为16.77%。同时,由同样尺寸切割成的16个小电池效率离散程度小,表明slot-die印刷HTL在商业化生产中的潜力。
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