室温溶液法制备铜掺杂氧化镍纳米粒子应用于钙钛矿太阳电池及其性能研究

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有机-无机杂化钙钛矿材料拥有双极性输运、吸光系数高、制备简便和成本低廉等优点得到快速发展,基于钙钛矿材料的钙钛矿太阳能电池已成为光伏领域最热门的研究方向,其光电转化效率不断刷新记录,目前达到了22.7%的认证效率。在不同钙钛矿太阳能电池结构中,平面反向钙钛矿太阳能电池因其结构简单、制备工艺简便而受到越来越多的关注。空穴传输层作为电池结构重要组成部分,其材料的选择直接影响电池的性能。氧化镍(NiOx)拥有与钙钛矿活性层能级匹配、稳定性高和成本低廉等优点,成为目前钙钛矿太阳能电池中最常用的无机空穴传输材料。与有机空穴传输材料相比,NiOx本身导电性能不够理想,从而影响了钙钛矿太阳能电池的效率。金属元素掺杂可以简单有效地提高NiOx导电性。本文采用化学沉淀法制备Cu掺杂NiOx(Cu:NiOx)纳米粒子,并通过室温溶液法即可得到Cu:NiOx纳米粒子薄膜,整个过程无需额外加热退火。以Cu:NiOx纳米粒子薄膜为空穴传输层,分别制备在玻璃衬底和柔性衬底上制备了钙钛矿太阳能电池。具体研究内容如下:首先,采用化学沉淀法制备了Cu:NiOx纳米粒子,实验发现,所制备的Cu:NiOx纳米粒子在水溶液中具有良好的分散性,且溶液稳定性好。对所制备的纳米粒子进行X射线衍射分析和透射电子显微镜观察,结果表明,Cu元素的掺入会导致NiO晶格间距增大,相比于未掺杂的NiOx纳米粒子,Cu:NiOx纳米粒子的尺寸减小。进一步地,采用室温溶液法制备纳米薄膜,研究发现,相比于未掺杂的NiOx薄膜,Cu:NiOx薄膜更为致密、光滑、平整。此外,Cu掺杂还能有效提升薄膜的导电性,薄膜的空穴迁移率从未掺杂时的3.05×10-3 cm2/(V·S)提高到1.05×10-2 cm2/(V·S)。随后,将所制备的Cu:NiOx薄膜作为空穴传输层应用于平面反向钙钛矿太阳能电池中。结果表明,在Cu:NiOx空穴传输层上制备的钙钛矿薄膜更加致密,且晶粒增大,吸光强度随之提高。相比于纯NiOx空穴传输层,Cu:NiOx空穴传输层对空穴的提取和传输效率更高,所制备的钙钛矿太阳能电池未掺杂时效率为15.87%,当采用掺杂量为2%的Cu:NiOx空穴传输层时所制备的器件效率提高到18.66%,并且迟滞效应得到明显抑制。稳定性实验表明,在相同环境下,Cu:NiOx基器件的稳定性得到加强。此外,根据该Cu:NiOx空穴传输层的室温溶液法制备,且无需退火的特点,本文以其为基础,制备出高效大面积柔性钙钛矿太阳能电池。Cu:NiOx在柔性钙钛矿太阳能电池中同样表现出良好的性能。当电池有效面积为0.10 cm2时,Cu:NiOx基柔性电池最高效率达到17.16%,而NiOx基电池效率仅14.27%;有效面积为1.08 cm2时,柔性电池的效率从NiOx基电池的12.29%提高到Cu:NiOx基电池的15.42%。
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