论文部分内容阅读
柔性太阳能电池因其在建筑、交通、便携式和可穿戴电子等诸多领域拥有巨大的应用潜力,已引起学术界和工业界的广泛关注。近年来,钙钛矿太阳能电池(PSCs)已成为最具有发展前景的光伏技术,不仅能量转换效率高、制造成本低,同时可以用溶液法低温制备(<150℃),非常适合用于制备高效柔性太阳能电池。目前,刚性钙钛矿电池已取得较高的效率,但柔性器件的性能却远远落后。为实现高效平面柔性PSCs,在柔性基底上低温制备高质量的电荷传输层至关重要。本论文采用具有较高电子迁移率且易低温制备的SnO2作为电子传输材料(ETLs),研究不同方法合成的SnO2对柔性器件的制备及性能的影响,并在此基础上,探索高效柔性钙钛矿太阳能电池及组件的制备与研究,主要研究内容与结论如下:1.采用溶胶凝胶法(Sol-gel)直接低温制备SnO2 ETLs,发现制备的薄膜质量极大的受环境湿度影响,降低电池的性能及重现性。通过分析发现环境湿度会影响SnCl4的水解程度,导致SnO2薄膜表面含有未反应的SnCl4残留,影响钙钛矿的光生电子向SnO2 ETLs传输。由此,我们开发了一种简单的水处理方法,可以使SnCl4充分水解,从而不受环境湿度影响,得到一种高晶态的SnO2薄膜,提升了其电子萃取和传输能力。经过处理后制备的PSCs性能得到显著提高,光电转换效率(PCE)高达19.17%,远高于未处理器件(17.59%)。更重要的,由于该方法制备的SnO2薄膜质量不受环境湿度影响,器件重现性得到了大幅度提高。依据此方法制备的柔性器件效率可达12.78%。2.由溶胶凝胶法制备的SnO2薄膜缺陷较多,虽然经过水处理有一定的改善,但柔性PSCs性能仍差强人意。为进一步优化SnO2 ETLs质量,本章采用SnCl4·5H2O水溶液在90℃条件下水解合成SnO2纳米颗粒。通过调控SnCl4·5H2O水溶液浓度及水解时间,控制SnCl4自释放酸水解过程,制备稳定均匀SnO2纳米颗粒(SnO2 NPs)。这种预晶化的SnO2 NPs结晶度高、缺陷少、电子迁移率高,经过PCBM界面进一步优化,使得制备的柔性器件性能提升至15.56%。3.柔性器件走向应用,必须解决器件放大的问题。随着器件面积进一步放大,其效率大打折扣,主要问题在于高均匀、可重复、大面积功能层的质量难以控制。在此,我们开发了一种易于大面积印刷SnO2致密膜和柔性钙钛矿组件(PSMs)的制备技术。我们将预晶化的SnO2配置成墨水,利用可生产放大的狭缝涂布(Slot-die coating)技术,印刷制备大面积SnO2 ETLs,并采用一步溶剂工程法沉积钙钛矿层,实现大面积柔性组件的制备。基于SnO2的柔性钙钛矿太阳能组件由6个子电池串联,有效面积为16.07 cm2,最高转换效率高达15%。