原子层沉积制备SnO2及其在钙钛矿/晶硅叠层电池中的应用

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自2009年钙钛矿太阳电池诞生至今,其光电转化率从3.8%迅速提高到25.5%以上,最高效率已经超过绝大多数太阳电池的效率记录。Sn O2薄膜是高效钙钛矿太阳电池中常用的电子传输层薄膜,其主要制备技术有:化学气相沉积、磁控溅射、超声喷雾、原子层沉积(atomic layer deposition,ALD)和旋涂等方式。这其中,ALD技术是通过单原子层沉积方式实现薄膜制备,具有基底损伤小、薄膜质量高等优点。本论文使用ALD技术制备了Sn O2电子传输层,验证了其在正式结构和反式半透明结构钙钛矿太阳电池中应用的可行性,研究了该薄膜的光电特性(透过率、电导率等)对于正式结构和反式半透明结构钙钛矿太阳电池性能的影响,探索了该技术应用在绒面硅衬底上,生长钙钛矿太阳电池性能的影响机制,主要研究结论如下:(1)实验中采用ALD镀膜技术制备正式结构中钙钛矿电子传输层Sn O2薄膜。通过探究Sn O2薄膜制备时沉积温度、热处理和沉积厚度等因素,对原子层沉积电子传输层Sn O2的工艺进行优化。薄膜透光率最高达到在85%左右,电导率维持在较优的水平。实现了在沉积温度为100℃,沉积厚度为22 nm,沉积后进行150℃热处理2 h的条件下,最优器件的光电转化效率达17.96%,电池稳态输出性能良好。(2)在反式结构的半透明钙钛矿太阳电池中,原子层沉积制备的Sn O2薄膜不仅起到传输电子的作用,同时在溅射IWO透明导电层时起到对钙钛矿基底的保护作用。随着温度的提升,沉积Sn O2薄膜的同时会对钙钛矿层造成影响,实验中通过调节Sn O2的沉积温度,探究不同沉积温度对于Sn O2薄膜以及钙钛矿薄膜性能的影响,得到最佳的沉积温度—120℃。接着在120℃沉积温度的基础上,探究得到薄膜不同的沉积厚度在IWO溅射下对钙钛矿层的保护作用,以及对钙钛矿电池性能的影响,实现了薄膜沉积厚度(15 nm)与导电层溅射功率(0.65 W/cm~2)的匹配,得到最佳的半透明钙钛矿太阳电池的效率为15.4%。(3)目前应用最为广泛的商用晶硅太阳电池通常采用的是双绒面结构。以晶硅太阳电池为底电池,构建晶硅/钙钛矿叠层太阳电池需要保证钙钛矿各层均能在绒面结构上实现保形生长,并且基于异质结的特性,需要在晶硅电池上制备反式结构的透明钙钛矿太阳电池。除了使用ALD制备Sn O2电子传输层外,实验中选用超声喷雾法制备钙钛矿活性层。首先探究了热处理温度对于钙钛矿成膜性能的影响,发现热处理温度为170℃时可以得到最优的钙钛矿薄膜,接着又通过调节喷雾溶液中Br/I元素的比例,实现钙钛矿层1.53-1.76 e V带隙的精确调节,电池性能最高可到18.31%。
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