通过修饰ZnO电子传输层提高钙钛矿太阳能电池稳定性的研究

发布时间：2018-06-21 02:35

本文选题：钙钛矿太阳能电池 + 电子传输层　；参考：《江苏科技大学》2017年硕士论文

【摘要】：近几年,基于固态有机-无机铅卤化物的钙钛矿材料由于具有较好的光学带隙、高载流子迁移率、超宽的光谱吸收边和低成本的制备工艺等优点,引起了全世界科学家的关注。同时,基于CH3NH3PbX3(X=I-,Br-,Cl-)此类材料所制备的钙钛矿太阳能电池具有较高的光电转化效率(最高已经达到22%)、制备工艺简单和可以在柔性基底上制备等优点,显示出了非常好的发展应用前景。虽然基于二氧化钛(TiO2)电子传输层的钙钛矿太阳能电池器件具有如此多的优点,但是,几乎所有科学家都发现,潮湿和高温环境下的器件稳定性很差,服役寿命很短,主要是因为钙钛矿光吸收层容易降解。为了解决器件的在潮湿环境下不稳定的问题,氧化锌(ZnO)被引入到钙钛矿太阳能电池中,来代替传统的电子传输层二氧化钛(Ti O2)制备出了潮湿环境下稳定性较好的钙钛矿器件。基于ZnO电子传输层的钙钛矿太阳能电池虽然在潮湿环境下具有一定的稳定性,但是,高温环境下所制备的器件依然容易失效。本论文首先对制备钙钛矿光吸收层(甲胺铅碘)的工艺进行了优化,所制备的甲胺铅碘晶粒结晶性好,形成的薄膜平整且致密、吸光性能强。将所制备的甲胺铅碘薄膜和其他界面层进行组装,获得了光电转化效率为12.56%的钙钛矿太阳能电池器件。其次,为了研究高温环境下钙钛矿太阳能电池的失效机理,将器件置于150℃的环境下进行测试表征,首次确定了其失效的机理:ZnO表面的羟基会与CH3NH3PbI3分子中的甲胺离子(CH3NH3+)离子发生路易斯酸碱反应,造成CH3NH3PbI3分解为碘化铅(PbI2)以及其他物质,最终,导致所制备的器件失效。最后,通过对所得失效原因进行深入分析,研究并开展了以下两方面的工作:(1)通过制备Sn掺杂氧化锌薄膜(TZO)作为电子传输层来解决钙钛矿太阳能电池在高温环境下容易失效的问题,确定最佳Sn掺杂浓度为2%,最佳退火温度为200℃的制备工艺。通过原位掠入射X射线衍射实验观测到,沉积在TZO薄膜上面的CH3NH3PbI3薄膜能够在150℃温度环境下稳定存在60分钟以上,相较于沉积在ZnO表面的参比试样(20min)提高2倍。同时通过红外测试表明,Sn元素的掺杂能够有效减少ZnO表面羟基的量,从而抑制钙钛矿层的分解,起到保护作用。所制备的基于TZO电子传输层的钙钛矿太阳能电池效率可以达到13.06%,在外界中可以稳定存在15天以上,而且效率下降仅仅只有20%。另外,通过对TZO薄膜的表征表明,Sn元素的掺杂提高了ZnO在ITO导电玻璃上的覆盖率,有效抑制了电子-空穴对在钙钛矿层与ZnO之间界面的复合,大大提高了电荷在钙钛矿和电子传输层之间的传输效率,提高了所制备器件的光电转化效率。(2)通过制备氧化锌/石墨烯量子点(ZnO-G QDs)作为电子传输层来解决钙钛矿太阳能电池在高温环境下容易失效的问题,确定最佳GO掺杂量为80mg,最佳退火温度为200℃的制备工艺。XRD和TEM实验结果证明,成功制备出ZnO-G QDs。通过原位掠入射X射线衍射实验观测到,沉积在TZO薄膜上面的CH3NH3PbI3薄膜能够在150℃温度环境下稳定存在80分钟以上,相较于沉积在ZnO表面的参比试样(20min)提高60min。通过红外测试表明,通过石墨烯对ZnO的包覆,减少了外露羟基的数量,避免其表面的羟基与CH3NH3PbI3直接接触,从而减少路易斯酸碱反应的发生,起到保护钙钛矿层的作用。所制备的基于ZnO-G QDs电子传输层的钙钛矿太阳能电池效率可以达到13.41%,在空气中可以稳定存在15天以上,而且效率下降仅为20%。通过对ZnO-G QDs的表征表明,石墨烯对ZnO的包覆,提升了ZnO薄膜晶粒的结晶度和致密性,减少了薄膜内部晶粒的缺陷,大大提高了电子传输效率。在研究和制备钙钛矿太阳能电池时,考虑到高光电转化效率和稳定性,选用合适的电子传输层时,应该多方面系统性地考虑电子传输性能、界面是否致密平整、与钙钛矿光吸收层是否反应和制备成本以及工艺是否简单等因素,本文的研究内容为今后制备高效且稳定工作的钙钛矿太阳能电池器件提供了一定的借鉴意义。
[Abstract]:In recent years , the perovskite - type solar cells based on solid - state organic - inorganic lead halide have the advantages of high photoelectric conversion efficiency ( up to 22 % ) , high carrier mobility , broad spectrum absorption edge and low cost . The preparation process of the perovskite solar cell based on the electron transport layer of the ZnO - G QDs shows that the ZnO - G QDs can be stabilized for more than 15 days and the efficiency is reduced by only 20 % .
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM914.4

【参考文献】