蒸镀法制备的空穴传输层研究及在钙钛矿太阳能电池模组中的应用

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近年来,有机-无机杂化的钙钛矿太阳电池(简称钙钛矿太阳电池)在光伏领域的研究中,因其具有高光吸收系数、较大的载流子迁移率、较长的激子扩散距离、带宽可调等优异的光电性能,钙钛矿材料作为光吸收层的太阳能电池具有低成本、高效率、制备简单等优点,成为目前太阳能电池领域的研究热点。截止到2019年,钙钛矿太阳能电池的国际认证光电转换效率效率已达到25.2%,被认为是最具发展前景的新一代新型太阳能电池。作为光吸收层,钙钛矿薄膜的成膜质量和传输性能决定着电池器件的好坏,同样作为功能层的空穴传输层和电子传输层对于载流子的抽取和传输也影响着电池性能。另外,作为一种对于传统硅基太阳能电池的竞争者,常用的制备方式如实验室的旋涂法种方式不适用与工业化生产。因此,探索一种稳定、适合商业化生产的钙钛矿太阳电池的制备方法成为了当前研究热点。本文主要采用了一种蒸镀-闪蒸的方法制备钙钛矿薄膜,在制备钙钛矿薄膜的过程中,对后退火时间进行了优化。并设计了一种通过蒸镀方式获得空穴传输层方法。试验测试结果表明,新型空穴传输层与传统空穴传输层PEDOT:PSS相比,其电导率,载流子传输能力和透过率都有一定的提升,进而使得器件性能和稳定性得到了提升。通过对载流子的传输动力学和复合机理的研究后,分别制备出大面积的钙钛矿太阳电池刚性与柔性的模组器件,取得了优异的器件效率。具体研究内容和结论如下:(1)基于蒸镀-闪蒸法制备MAPb I3薄膜作为钙钛矿太阳电池吸光层:采用首先蒸镀一层Pb I2,然后闪蒸过量MAI,经后退火处理得到的MAPb I3薄膜,该方法获得的钙钛矿薄膜对于原料的利用率远远高于旋涂的方法。(2)采用共同蒸镀2T-NATA和F4-TCNQ方法,构筑了全新的空穴传输层,通过控制共蒸镀速率比率达到F4-TCNQ的不同量掺杂,以此为基础制备器件,并与传统的基于PEDOT:PSS空穴传输层的标准器件相比,所制备器件性能和稳定性得到了改善。(3)基于h-HTL和蒸镀-闪蒸制备钙钛矿薄膜的方法,制备了16 cm2的全蒸镀大面积钙钛矿电池模组,该方法制备的大面积钙钛矿薄膜具有良好的均匀性,模组的光电转换效率为15.06%,柔性器件中转化效率达到了13.15%。
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