空穴传输层对钙钛矿器件光电性能及稳定性的影响研究
发布时间：2020-08-12 20:19
【摘要】：钙钛矿太阳能电池以其高的光吸收系数、优良的载流子输运性能以及简单的制备工艺和低廉的成本等诸多优点引起了科研工作者的广泛重视。在其面世以来的短短几年间,钙钛矿太阳能电池的能量转换效率(PCE)已由最初的不到5%提高到22%以上,其发展速度之迅猛在光伏研究领域无出其右。然而随着钙钛矿太阳能电池技术的不断成熟,其自身所存在的问题也逐渐暴露出来。钙钛矿太阳能电池的稳定性问题是制约其进一步发展的一大障碍。大多数研究都将钙钛矿电池的稳定性差归因于钙钛矿材料本身易分解,而钙钛矿电池作为一个整体,由多层结构组成,任何一层材料的物理性能都将影响整体器件性能及其稳定性。初步研究表明,器件的电荷传输层在影响器件电荷输运性能的同时,也会对器件的稳定性产生重要影响。本文以空穴传输层作为切入点,制备了多种空穴传输材料,并系统地研究了它们对钙钛矿器件光电性能及稳定性的影响。本文首先介绍了钙钛矿太阳能电池的相关基础知识,综述了该领域的主要研究现状。针对传统的空穴传输材料(HTM)spiro-OMeTAD,系统地研究了不同掺杂的spiro-OMeTAD材料对钙钛矿器件的光电性能和稳定性的影响及其内在机制。研究表明,Li/FK209共同掺杂的器件无需暴露空气便表现出优良的光电性能,从而有效避免了暴露空气对钙钛矿材料的侵蚀。进一步研究表明,添加剂Li、FK209的引入不仅可以提高spiro-OMeTAD的电导率,而且可以调节材料的功函数,使得HTM与钙钛矿层之间的能级更加匹配,从而有效地促进了器件内部的电荷传输能力,使得器件性能得到显著提高。在对常用空穴传输材料spiro-OMeTAD的研究基础之上,提出采用铜基化合物(以Cu2S为主)作为新型空穴传输层。实验中分别采用真空蒸镀法和溶液法制备了 Cu2S薄膜,并基于此制备了相应的钙钛矿器件。实验得到的器件PCE最高为8.00%,其中Voc为624.93mV,Jsc为23.16mA/cm2,FF为55.25%,器件的电流密度-电压(J-V)曲线有明显的回滞现象。基于实验结果,我们认为Cu2S薄膜粗糙的表面形貌和近金属特性,以及perovskite/Cu2S/Au之间的相互作用是造成是器件性能不佳的主要原因。考虑到电荷传输层中的金属离子等会扩散到钙钛矿层中并对器件性能产生影响,作为铜基空穴传输层的拓展,研究了铜离子掺杂对钙钛矿薄膜及器件光电性能及稳定性的影响。研究表明,低浓度的铜离子掺杂可以显著降低钙钛矿材料(FAPbI3)的相转变温度,增加薄膜的吸光度,同时提高钙钛矿薄膜的结晶性能和稳定性能,相应钙钛矿器件稳定性也显著提高。当掺杂0.1 mol%的CuI时,钙钛矿器件表现最佳,连续光照测试170 h后,其PCE降幅不足2%。但当铜离子掺杂浓度过高时,钙钛矿薄膜及相应钙钛矿器件的各项性能参数均显著降低。本文提出了从空穴传输层的角度研究钙钛矿器件整体光电性能和稳定性的方法,并基于此进行了大量的实验。希望相应的研究方法和结论能够对后续的实验研究起到一定的借鉴作用。
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34;TM914.4
【图文】：
太阳能电池逡逑太阳能电池，顾名思义，就是将钙钛矿材料作为光吸收层机染料敏化电池，却同时具备了有机太阳能电池和无机太钙钬矿电池的结构逡逑出了钙钛矿太阳能电池的基本结构。可以看到电池主要由（ＥＴＬ）、钙钛矿吸收层、空穴传输层（ＨＴＬ）和对电极五理解为：１）太阳光照射到电池上，能量足够大的入射光子的电子到达导带，在价带上留下空位，形成光生电子空穴对，吸收层中的光生电子涌入ＥＴＬ，而光生空穴涌入ＨＴＬ，分离。３）电子和空穴分别经由ＥＴＬ和ＨＴＬ输运到两极而被电压，若形成回路则产生光生电流。逡逑
邋Ａｍ邋ｉ逡逑0ｘ逡逑图１．１钙钛矿晶型逡逑１．２３钙钛矿太阳能电池逡逑钙钛矿太阳能电池，顾名思义，就是将钙钛矿材料作为光吸收层的太阳能电池。逡逑它虽源于有机染料敏化电池，却同时具备了有机太阳能电池和无机太阳能电池的诸多逡逑优点。逡逑１．２．３．丨钙钬矿电池的结构逡逑图１．２给出了钙钛矿太阳能电池的基本结构。可以看到电池主要由ＩＴＯ导电薄膜、逡逑电子传输层（ＥＴＬ）、钙钛矿吸收层、空穴传输层（ＨＴＬ）和对电极五部分组成。其工逡逑作原理可以理解为：１）太阳光照射到电池上，能量足够大的入射光子将会激发吸收层逡逑材料价带上的电子到达导带，在价带上留下空位，形成光生电子空穴对。２）由于内建逡逑电场的牵引，吸收层中的光生电子涌入ＥＴＬ，而光生空穴涌入ＨＴＬ，从而实现光生电逡逑子和空穴的分离。３）电子和空穴分别经由ＥＴＬ和ＨＴＬ输运到两极而被收集，从而在两逡逑极形成光生电压，若形成回路则产生光生电流。逡
钙钛矿太阳能电池中最重要的组成部分是妈钛矿光吸收层。钙钛矿光吸收层可以逡逑采用多种方法进行制备，比较常见的有一步溶液法、两步溶液法、蒸发法以及溶液－逡逑气相沉积法等（如图１．４所示）。逡逑一步法是应用较为广泛的制备方法。以ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＸ３为例，将ＰｂＸ２与ＣＨ３ＮＨ３Ｉ逡逑以一定的摩尔比例混合（ＰｂＣｋ：邋ＣＨ３ＮＨ３Ｉ＝１：３［４７］，Ｐｂｌ２：ＣＨ３ＮＨ３Ｉ＝ｌ：ｌ邋ｔ４８］）溶于邋ＤＭＦ邋（７－逡逑丁内酯）溶液中，搅拌溶液至澄清，以旋涂［４９］的方式使溶液附着在电子传输层上。然逡逑后对薄膜进行热处理，便可得到棕褐色的钙钛矿薄膜。目前采用一步法制备的电池最逡逑高效率达２２．１邋％＿。逡逑２０１３年，Ｍ．Ｇｒａｔｚｅｌ等人首次将两步法引入到钙钛矿太阳能电池的制备中，且取逡逑得了邋１４．１％的效率［２５］。两步法是指先将Ｐｂｌ２粉末溶于ＤＭＦ溶液中，７０°Ｃ加热搅拌至逡逑澄清后旋涂到介孔Ｔｉ０２上。晾干后，将衬底浸入含ＣＨ３ＮＨ３Ｉ的异丙醇溶液（１０邋ｍｇ／ｍＬ）逡逑中
本文编号：2790976
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34;TM914.4
【图文】：
太阳能电池逡逑太阳能电池，顾名思义，就是将钙钛矿材料作为光吸收层机染料敏化电池，却同时具备了有机太阳能电池和无机太钙钬矿电池的结构逡逑出了钙钛矿太阳能电池的基本结构。可以看到电池主要由（ＥＴＬ）、钙钛矿吸收层、空穴传输层（ＨＴＬ）和对电极五理解为：１）太阳光照射到电池上，能量足够大的入射光子的电子到达导带，在价带上留下空位，形成光生电子空穴对，吸收层中的光生电子涌入ＥＴＬ，而光生空穴涌入ＨＴＬ，分离。３）电子和空穴分别经由ＥＴＬ和ＨＴＬ输运到两极而被电压，若形成回路则产生光生电流。逡逑
邋Ａｍ邋ｉ逡逑0ｘ逡逑图１．１钙钛矿晶型逡逑１．２３钙钛矿太阳能电池逡逑钙钛矿太阳能电池，顾名思义，就是将钙钛矿材料作为光吸收层的太阳能电池。逡逑它虽源于有机染料敏化电池，却同时具备了有机太阳能电池和无机太阳能电池的诸多逡逑优点。逡逑１．２．３．丨钙钬矿电池的结构逡逑图１．２给出了钙钛矿太阳能电池的基本结构。可以看到电池主要由ＩＴＯ导电薄膜、逡逑电子传输层（ＥＴＬ）、钙钛矿吸收层、空穴传输层（ＨＴＬ）和对电极五部分组成。其工逡逑作原理可以理解为：１）太阳光照射到电池上，能量足够大的入射光子将会激发吸收层逡逑材料价带上的电子到达导带，在价带上留下空位，形成光生电子空穴对。２）由于内建逡逑电场的牵引，吸收层中的光生电子涌入ＥＴＬ，而光生空穴涌入ＨＴＬ，从而实现光生电逡逑子和空穴的分离。３）电子和空穴分别经由ＥＴＬ和ＨＴＬ输运到两极而被收集，从而在两逡逑极形成光生电压，若形成回路则产生光生电流。逡
钙钛矿太阳能电池中最重要的组成部分是妈钛矿光吸收层。钙钛矿光吸收层可以逡逑采用多种方法进行制备，比较常见的有一步溶液法、两步溶液法、蒸发法以及溶液－逡逑气相沉积法等（如图１．４所示）。逡逑一步法是应用较为广泛的制备方法。以ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＸ３为例，将ＰｂＸ２与ＣＨ３ＮＨ３Ｉ逡逑以一定的摩尔比例混合（ＰｂＣｋ：邋ＣＨ３ＮＨ３Ｉ＝１：３［４７］，Ｐｂｌ２：ＣＨ３ＮＨ３Ｉ＝ｌ：ｌ邋ｔ４８］）溶于邋ＤＭＦ邋（７－逡逑丁内酯）溶液中，搅拌溶液至澄清，以旋涂［４９］的方式使溶液附着在电子传输层上。然逡逑后对薄膜进行热处理，便可得到棕褐色的钙钛矿薄膜。目前采用一步法制备的电池最逡逑高效率达２２．１邋％＿。逡逑２０１３年，Ｍ．Ｇｒａｔｚｅｌ等人首次将两步法引入到钙钛矿太阳能电池的制备中，且取逡逑得了邋１４．１％的效率［２５］。两步法是指先将Ｐｂｌ２粉末溶于ＤＭＦ溶液中，７０°Ｃ加热搅拌至逡逑澄清后旋涂到介孔Ｔｉ０２上。晾干后，将衬底浸入含ＣＨ３ＮＨ３Ｉ的异丙醇溶液（１０邋ｍｇ／ｍＬ）逡逑中
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 卢永娟;梁山;陈淼;贾均红;;化学浴法Cu_2S纳米晶薄膜的制备及其光学特性研究[J];功能材料;2008年11期
本文编号：2790976
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