钙钛矿太阳能电池电荷传输层设计与器件性能的研究

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钙钛矿太阳能电池因优异的能量转化效率、简便的制备工艺和低成本等优点,迅速成为第三代新型薄膜太阳能电池的研究热点。目前钙钛矿太阳能电池的最高认证效率达到25.7%,在新能源领域具有很大的研究价值和实用化潜力。但是,钙钛矿太阳能电池依旧面临着器件稳定性不佳、大面积制造较难、制备工艺耗能较高等亟需解决的难题。鉴于钙钛矿晶体自身对湿、热、光、氧等敏感易造成活性层降解,本论文从与钙钛矿紧密接触的电荷传输层入手,优化钙钛矿太阳能电池的电荷传输层制备工艺和结构,提升器件光电性能和稳定性。然而,电荷传输层材料只有经过适当的高温热处理以提高其结晶性,才能更好适用于钙钛矿电池之中。受限于钙钛矿材料热承受温度上限以及降低制备成本的实际需求,对电荷传输层的低温成膜技术的研究是十分有必要的。本论文通过对几种可低温制备的电荷传输层材料的低温成膜工艺的开发和研究,来改善钙钛矿太阳能电池的光电性能和稳定性,主要研究的内容有:(1)系统研究了前驱体溶剂组分对In2O3薄膜成膜质量的影响,有效避免了传统制备In2O3薄膜方法中以乙醇为溶剂出现的水解产物导致器件稳定性变差的问题。分别通过优化电荷传输层前驱液中乙二醇的用量、酸添加剂的种类、多种醇溶剂的配比,提升了电荷传输层薄膜的致密性和平整性,有效抑制了In2O3薄膜的缺陷态密度,促进了与钙钛矿活性层的界面接触。优化后钙钛矿电池的最佳能量转化效率达到了14.33%,工艺的可重复性和器件的稳定性也得到了优化。(2)出于优化电子传输层纳米结构的考虑,充分利用Sn O2与导电ITO基底的良好接触,结合In2O3在电子收集与输运、以及与钙钛矿易于形成良好界面接触的优势,设计了Sn O2/In2O3双电子传输层结构,提高了电子传输层的电荷收集能力,有效降低了电子传输层的缺陷态密度,加快电子传输层/钙钛矿吸光层界面的电荷收集效率和电荷传输速率。通过优化Sn O2薄膜的制备工艺参数,获得了最高15.10%的光电转化效率,在未封装的大气环境条件(室温&35%湿度)下,太阳能电池的稳定性比单独使用Sn O2薄膜、In2O3薄膜组装的电池(传统的对照组器件)分别提升了20%,25%以上。(3)为了提高低温制备的In2O3薄膜的光电特性,对In2O3薄膜进行了适量的Cu掺杂处理。少量的Cu2+取代离子半径接近的In3+,在不改变In2O3晶格结构的前提下,通过第一性原理计算证实,适量的该掺杂处理有助于抑制In2O3电子传输层薄膜中的氧空位浓度(可降低薄膜的缺陷态密度),降低In2O3半导体的导带位置(提供较大的光生载流子的驱动力),提升电子传输层/钙钛矿界面的电荷收集效率。基于6%Cu掺杂量的In2O3薄膜组装的钙钛矿电池其具有最佳的能量转换效率,达到15.61%。(4)从降低电子传输层成本、拓展大面积柔性应用和电子传输层材料选材范围的角度,开发了一种简易的、低成本的低温溶液法合成分散性好的Sn O2量子点水溶胶,解决了传统以锡盐的醇溶液为前驱液制备电子传输层存在的成膜质量差、工艺可重复性不好的难题,将该量子点水溶胶旋涂制备钙钛矿太阳能电池的电子传输层,器件获得18.06%的能量转化效率。有助于推进钙钛矿电池的商业化应用,对拓展钙钛矿电池的柔性、大面积应用领域也具有重要意义。(5)出于制备全无机电荷传输层钙钛矿器件的实际需求,本论文还提供了一种CuxO(1<x<2)纳米晶的水性悬浮液的合成工艺。该CuxO水性悬浮液具有结晶性好、单分散性好、稳定性好、易于低温成膜等优势,对CuxO基钙钛矿电池的发展和研究具有相当的参考价值和指导意义。
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