空穴传输材料对钙钛矿太阳能电池稳定性及性能的影响

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近几年,基于钙钛矿结构的材料(ABX3)制作的太阳能电池(Perovskite solar cells,PSCs)引起了人们广泛的关注,这种太阳能电池具有高摩尔消光系数、高开路电压、结构简单、成本低等优点,然而钙钛矿电池的器件稳定性和大面积制备等问题是阻碍其商业化生产的主要问题,解决这些问题需要从电池结构和材料等多方面入手。常见的正式结构电池由于采用Spiro-OMeTAD(Spiro)作为空穴传输材料,器件非常不稳定。本文采用了聚合物聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(P3HT)替代Spiro,研究其对正式电池性能和稳定性影响。由于目前普遍认为反式电池更为稳定,本文随后分别研究了新型空穴材料10-(4-(4,6-二苯基-1,3,5-三嗪-2-基)苯基)-9,9-二甲基-9,10-二氢吖啶(DMAC-TRZ)以及无机物NiOx作为空穴材料在反式钙钛矿电池中的应用。通过紫外可见吸收光谱、扫描电子显微镜、原子力显微镜、X射线衍射分析、稳态光致发光光谱、电化学工作站、J-V测试等手段对这些材料和电池进行了一系列研究:(1)优化P3HT制备的正式结构钙钛矿电池的性能。研究了这类电池在初始几天内电池效率明显增加的原因,通过一系列对比实验发现是水分对P3HT/钙钛矿界面的影响。此外,为了提升器件效率,在P3HT里掺杂了Li-TFSI,制得转换效率17.55%的电池。测试了基于P3HT的正式电池的稳定性,发现P3HT能很好的保护钙钛矿,使电池具有较好的长期稳定性,基于无掺杂P3HT的电池在30%相对湿度,25°C的环境下放置一年后仍能保持在最高效率的75%以上。而由于Li-TFSI具有吸湿性,会降低电池的稳定性。(2)引入了一种新型有机小分子DMAC-TRZ作为空穴传输材料应用到反式钙钛矿电池。探究了DMAC-TRZ的光学、电学、化学性质,发现这一材料在200°C下退火时效果最佳,其导电率和对应电池的性能要优于其他温度退火的薄膜。同时优化了DMAC-TRZ的膜厚,制备出转换效率为11.90%的电池。除了效率之外,我们也探究了所制备的电池的光、热和长期稳定性。由于钙钛矿电池中的MAPbI3热稳定性不佳,限制了器件的热稳定性。另外,发现DMAC-TRZ制备的电池连续光照后有所下降。(3)研究NiOx空穴传输层对反式电池性能和稳定性影响。为了提高器件稳定性,本文采用NiOx作为空穴传输层。我们合成了两种NiOx材料,通过对比发现使用NiOx纳米颗粒制备的空穴传输层性能更优,其电池的效率和稳定性都比溶液直接旋涂法制备的电池要好。两种方法制备的电池的最佳效率分别为14.71%和12.91%,用这两种方法制备的电池均表现出较好的稳定性。在25°C,30%的相对湿度下保存1000 h,效率还能保持在80%以上,而且在50°C热台上加热均能保持较好的热稳定性。
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