PC61BM优化电子输运层柔性钙钛矿太阳能电池的制备与研究

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本论文主要通过PC61BM对低温致密TiO2层优化,完成了致密层烧结工艺从高温(500℃)向低温(150℃)的转化,成功实现了在柔性基底上平面钙钛矿太阳能电池的制备,具体包含以下四个方面:1.确定了旋涂完MAI先体溶液后的静置时间。本论文制备了烧结前静置时间为0 s,5 s及10 s的三种器件并进行了表征测试,发现0 s器件的性能较好,其Voc为0.89 V,Jsc为11.77 m A/cm2,FF为40.99%,PCE为4.32%。这证实了钙钛矿的结晶基本在MAI先体溶液的匀胶过程中完成,在静置时间内,薄膜中残留的DMF(+DMSO)对已经形成的MAPbI3晶粒起到了部分溶解的负面作用,随后退火过程中钙钛矿二次结晶,晶体直径变小、生长不均匀甚至畸形生长。高温致密TiO2层的制备方法为两次旋涂两次烧结时,电池的最优效率达到4.68%,此时致密层厚度为140 nm。2.采用旋涂低温纳米晶TiO2旋涂液的方法制备了低温致密TiO2层。薄膜中残留溶剂的挥发速率对该层的形貌有较大影响,而烧结工艺直接影响着溶剂的挥发速率。为了确定低温致密层最优的烧结工艺,设计了直接进行150℃烧结、从室温升温至150℃烧结和先室温静置1 h后再从室温升温至150℃烧结三种工艺。实验结果表明使用1 h-1层烧结工艺时,通孔数量很少,致密层对FTO表面覆盖较完好。基于该工艺在ITO基底上制备的钙钛矿太阳能电池反扫Voc为0.92 V。3.利用PC61BM解决了因低温致密TiO2层孔洞引起的电池短路问题。使用PC61BM溶液的五种浓度分别为5、10、15、20及25 mg/mL。在FTO基底上的最优浓度为15 mg/mL,对应器件的Voc为1.01 V,Jsc为14.74m A/cm2,FF为36.70%,PCE为5.48%;在ITO刚性基底上最优浓度为20 mg/mL,此时电池的Voc为1.04 V,Jsc为17.11 mA/cm2,FF上升到46.53%,PCE为8.24%;在两种基底上最优浓度的电池正反扫曲线基本没有回滞,展示出PC61BM对致密TiO2层和钙钛矿层之间界面缺陷的良好钝化作用。4.使用了混合甲脒甲胺卤素(FAxMA1-x-x BrxClyI1-x-y)前驱体溶液制备了针对钙钛矿ABX3结构中A位和X位掺杂的钙钛矿太阳能电池。浓度为60:6:6 mg/mL的混合甲脒甲胺卤素先体溶液制备的钙钛矿薄膜均匀且致密,晶粒平均直径达到500 nm以上,XRD图显示该浓度下两种先体溶液反应充分,只有极少量的PbI2残留,器件的光电转化效率为9.79%。基于本论文全部的优化工艺,制备了效率为3.24%的柔性电池。
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