电子束蒸发制备SnO2薄膜及其在钙钛矿太阳能电池中的研究

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钙钛矿太阳能电池(PSCs)经过十多年的发展,在光伏领域取得了令人瞩目的成绩。在PSCs各功能层中,电子传输层(ETL)在调控载流子运输、能级匹配、钙钛矿结晶质量中扮演着重要的角色。然而,现阶段高效PSCs中的ETL主要是基于旋涂法制备的,其难以实现高质量、大面积和规模化生产,这严重阻碍了PSCs的商业化发展。针对这一问题,为实现面向应用的高效与高稳定PSCs的制备。本论文选取了最有可能实现商业化应用的SnO2电子传输材料,并利用电子束蒸发法(E-beam)的手段在室温下制备了SnO2薄膜作为ETL,系统地研究了SnO2薄膜及其在PSCs中的缺陷调控。具体如下:(1)首先,通过SnO2制备工艺的优化,利用E-beam法实现了高质量SnO2薄膜的制备并将其用于PSCs的ETL,详细地研究了SnO2薄膜的透光率、电导率和载流子迁移率等光电性能,相应的PSCs不经过任何修饰的情况下,就实现了18.88%的转化效率。此外,基于E-beam工艺,成功将SnO2薄膜应用在柔性PSCs中,取得了14.89%的转化效率,证明了其在柔性器件上巨大的应用潜力。(2)其次,通过SnO2缺陷的调控,深入研究发现在高度真空条件下通过E-beam制备的SnO2薄膜存在较多的氧空位,这些空位会作为缺陷抑制光生电子在SnO2上的传输。基于此,在沉积的SnO2表面上引入一种多功能化学钝化剂—马来酰亚胺基十一酸(11MA)来改善SnO2/钙钛矿层界面。研究表明,11MA不仅能够显著钝化SnO2的陷阱态密度、改善其光电性能,还能调控下一层钙钛矿薄膜的结晶过程,使PSCs的效率进一步提高到20.94%。更为重要的是,基于11MA-SnO2的PSCs具有可忽略迟滞效应和相对恒定20.45%的稳态输出效率,表明11MA的修饰在一定程度上能够提高PSCs的工作稳定性。(3)最后,通过钙钛矿缺陷的调控,从钝化钙钛矿层本征缺陷的角度出发,将11MA作为钙钛矿层添加剂来调控其缺陷,进一步降低PSCs的内部缺陷,最终基于E-beam制备SnO2基PSCs获得了22.08%的转化效率,经过2000 h的稳定性测试后,器件仍能够维持其初始性能的93%,实现了光伏特性与稳定性的同步提升。此外,在追寻高效率与大面积PSCs方面,基于旋涂法制备了最高转化效率为23.34%的SnO2基PSCs;基于E-beam成功制备了不同有效面积(10 mm~2、40 mm~2、100 mm~2和600mm~2)的刚性PSCs,这为制备高效、高稳定、大面积PSCs提供了新的参考。本论文的研究对解决SnO2电子传输材料在低温、少缺陷、大面积制备等方面弊端提供新策略,为获得高效、高稳定、大面积以及柔性的PSCs奠定科学基础。
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