倒置平面异质结钙钛矿太阳能电池制备工艺的系统研究

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自从1956年,科学家Kojima首次使用有机无机杂化电解液法制备出了钙钛矿太阳能电池并获得了3.8%的光电转换效率以来,钙钛矿电池体系得到了行业普遍重视。目前的最高光电转换效率已超过了22%,本质上是源于钙钛矿太阳能电池器件结构、材料的优化设计以及薄膜质量提升。本文实验的体系为倒置结构p-i-n型有机无机杂化钙钛矿太阳能电池,对制备工艺进行了系统摸索,分别探索空穴传输层、钙钛矿光活化层、电子传输层的溶液配置方法、成膜关键实验参数对器件光伏性能的影响。研究结果如下:1、钙钛矿电池空穴传输层的制备工艺研究。对比了PEDOT:PSS在室温和冷藏情况下的区别,发现PEDOT:PSS材料在冷藏下可以获得更高的器件效率;研究了同时使用PEDOT:PSS和PTAA两种材料作为空穴传输层的情况,发现增加PTAA后,钙钛矿前驱体溶液的比例需要调低,这是由于亲水的MAI在疏水的PTAA薄膜上需要降低用量的原因;经过调整溶液浓度获得合适的PTAA厚度,并在薄膜中掺杂少量F4-TCNQ提高薄膜导电性,最终得到了18.2%的光电转换效率。将新合成的全新材料1,4-双(3,6-二β萘基咔唑基)丁烷作为空穴传输层运用于钙钛矿太阳能电池、系统研究该薄膜和钙钛矿薄膜的制备工艺。结果表明,1,4-双(3,6-二β萘基咔唑基)丁烷单独作用于空穴传输层时,器件开路电压、光电流和填充因子显著降低,说明该薄膜导电性和成膜性有待提高。本论文针对该材料最高占有轨道能级与MAPbI3比较匹配,设计制备了它与PEDOT:PSS组合的双层空穴传输层,效率提升明显,获得了15.9%的光电转换效率。2、MAPbI3钙钛矿薄膜的制备工艺研究。分别研究了前驱体溶液的配置方法,仲丁醇溶剂萃取快速结晶工艺参数,以及对比了空气环境和氮气环境下,钙钛矿成膜参数(前驱体溶液比例、烘烤参数)的区别,对相关机理进行初步研究。最终,基于PEDOT:PSS得到了16.2%的光电转换效率,相对以往使用PEDOT:PSS材料的器件获得了很大提升。3、PCBM电子传输层的制备工艺研究。研究了PCBM旋转速度和基底温度对器件性能的影响。通过形貌表征得知,提高基底温度有助于提高PCBM在钙钛矿薄膜表面的附着力,显著提高薄膜的平整度,因此器件的漏电流减少,填充因子提高,最终获得了比较好的效率。
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