基于CsPbIBr2钙钛矿的半透明和柔性太阳电池研究

来源 :常州大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jiangshuang_1975
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钙钛矿太阳电池自2009年问世以来便快速发展,目前有机-无机杂化钙钛矿器件最高效率已经达到25.7%。近年无机钙钛矿太阳电池凭借优异的光热稳定性被大量研究,其中CsPbIBr2材料具有较合适的带隙(2.05 e V)和良好的相稳定性,是很有前景的光吸收层材料之一。尽管该材料的光电转换效率仍低于有机-无机杂化钙钛矿,但它较大的带隙使其在可见光半透明器件等应用方面具有优势。本文通过优化CsPbIBr2钙钛矿薄膜退火工艺、微量掺杂Rb I和采用NiOX空穴传输层及ITO顶电极成功制备了全无机可见光半透明钙钛矿太阳电池,再通过前驱体溶剂工程实现了钙钛矿薄膜低温退火工艺,成功制备了基于全无机CsPbIBr2的可见光半透明柔性钙钛矿太阳电池。论文的主要研究内容及成果如下:(1)CsPbIBr2薄膜退火工艺优化及其电池性能。在一步溶液法的基础上,研究退火工艺对钙钛矿薄膜以及器件性能的影响。首先比较一步退火法与两步退火法制备的CsPbIBr2薄膜与器件,发现两步退火法有利于促进钙钛矿薄膜的成核结晶、提高薄膜质量,改善器件性能,制得的电池效率为7.33%。在此基础上,进一步优化两步退火法中初步退火温度,经过梯度实验得到120°C为最佳退火温度。该退火条件下制备的钙钛矿薄膜晶粒均匀密实、结晶度好,器件效率也得到了提升,达到7.78%,同时具备较好的环境稳定性。(2)基于CsPbIBr2的全无机可见光半透明钙钛矿太阳电池制备与性能研究。首先,以NiOX和ITO分别为空穴传输层和顶电极替代传统的Spiro-OMe TAD和Au电极。前者在400-800和600-800 nm波长范围内的平均透过率为46.9%和73.1%,平均光电转换效率为7.35%,而后者在对应波长范围内的平均透过率仅为18.8%和28.7%,平均效率为6.67%。此外,基于NiOX和ITO的半透明器件的湿度稳定性更佳。这些现象可以归因于无机空穴传输层NiOX与钙钛矿能级上更高的匹配度及材料自身的良好稳定性。进一步,采用微量Rb取代部分Cs制备了一系列Cs1-xRbxPb IBr2(x=0-0.03)钙钛矿,分析了不同Rb含量对钙钛矿薄膜吸光度、晶粒尺寸及器件性能的影响。结果表明基于Cs0.98Rb0.02Pb IBr2的可见光半透明电池性能最佳,其效率为8.30%。(3)基于全无机CsPbIBr2的柔性钙钛矿太阳电池制备与性能研究。通过前驱体溶剂工程降低制备CsPbIBr2钙钛矿薄膜的退火温度,实现以聚对萘二甲酸乙二酯(Polyethylene naphthalate,PEN)为衬底的柔性电池的制备。比较了前驱体中不同丙酮浓度对钙钛矿的影响,选择最佳浓度制成可见光半透明柔性器件,获得7.80%的效率。而且,由于丙酮促进晶粒尺寸的增大,因此开压也提升至1.20 V。
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