碳基钙钛矿太阳能电池及其掺杂与界面修饰

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人们通常认为,信息、材料和能源这三个不同的范畴构建了现代文明的基石。其中,能源也被称为能量资源,是指各种能产生或者转化能量的物质资源。人类所建立起来璀璨的21世纪文明,时刻需要巨大的能源支撑。众所周知,石油、天然气和煤炭等一次能源,贯穿过去的两三百年,一直是人类能源的支柱,直到现今,依然如此。但我们需要面对的严酷事实是,随着人类对它们的开采和消耗,它们在地球上的储藏量日益减少,在不久的将来便无法应付人类巨大的需求。因此,人们开始将眼光转向各种可再生能源,如水能、风能、太阳能、生物质能等等。其中,太阳能资源极其丰富、分布全球每个角落,对各种新型太阳能电池的研究也成为学术界的热点。钙钛矿太阳能电池作为一个只有10年历史的新生儿,不断在光电效率的世界最高记录上取得突破,目前与其他太阳电池相比,发展势头最为迅猛。钙钛矿太阳能电池虽具有诸多优点,但也存在钙钛矿薄膜易分解、贵金属对电极的制备成本高等,本文的研究重点在于开发新的对电极制备工艺和改善甲胺铅碘(MAPbI3)吸收层的质量。简述如下:(1)提出了一种新的对电极制备工艺,将低温导电商业碳浆用钙钛矿的不良溶剂稀释,使用气动喷笔进行热喷涂,制备了一种无空穴传输层碳基钙钛矿太阳能电池,器件结构为:FTO/致密二氧化钛层/介孔二氧化钛层/钙钛矿吸收层/碳电极。通过对乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸戊酯等四种酯类碳浆分散剂的筛选,从乙酸甲酯中得到最优组,最高光电转化效率达到7.96%。(2)在喷涂法制备碳对电极的电池工艺基础之上,通过在MAPbI3吸收层中掺杂高分子聚乙烯吡咯烷酮(pvp),提高了MAPbI3的光吸收强度,降低了薄膜的缺陷,提高了二氧化钛电子传输层对MAPbI3中光生载流子的提取效率,器件的最高光电转化效率达到了10.4%,在30%相对湿度的空气环境中保存了超过720小时之后,光伏性能没有出现明显的下滑,展现了良好的稳定性。(3)在喷涂法制备碳电极的工艺基础之上,引入苯乙胺碘(PEAI)对制备完成的碳基钙钛矿太阳能电池器件进行修饰,PEAI的异丙醇(IPA)溶液从上往下,经由碳电极渗透到三维的MAPbI3钙钛矿,与表面过量的碘化铅(PbI2)反应,生成二维的PEA2PbI4钙钛矿。通过引入PEAI对电池进行界面修饰,提高了钙钛矿层的光吸收强度,降低了薄膜的缺陷,提高了电子传输层对MAPbI3中光生载流子的提取效率,器件的最高光电转化效率达到了9.42%,而且,修饰后的器件展现了良好的稳定性。
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