介观钙钛矿太阳能电池吸光材料的组分调控研究

发布时间：2020-03-23 22:39

【摘要】：有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSC),由于其在光伏性能方面优良的表现而被研究者广泛关注。目前,获得认证的钙钛矿太阳能光伏器件光电转化效率已达22.7%。然而获得较高光电转化效率的PSC普遍采用价格较高的空穴传输材料和贵金属电极,制作成本较高。此外,高效器件多采用旋涂工艺制备钙钛矿吸光层,不利于PSC的大面积制作与生产。对于无空穴传输层印刷介观钙钛矿太阳能电池(MPSC),采用石墨复合的碳电极取代金属电极,同时摒弃了价格较贵的有机空穴传输层,降低了PSC的制作成本,避免了因有机材料分解所造成的器件稳定性问题。此外,MPSC电池采用简单的印刷工艺制备介孔膜,同时采用滴涂工艺制备钙钛矿,解决钙钛矿旋涂制备工艺对器件基底大小的限制,为PSC规模化生产制作创造了条件。本论文首先利用溶液法制备了阴阳离子掺杂钙钛矿(5-AVA)_xMA_(1-x)PbI_(3-y)(BF_4)_y并应用于无空穴传输层MPSC中。通过组分优化制备出了钙钛矿(5-AVA)_(0.034)MA_(0.966)PbI_(2.95)(BF_4)_(0.05),显著提高了MPSC的光伏性能。研究显示通过在碘铅甲胺(MAPbI_3)前驱体溶液中同时引入5-AVAI和MABF_4后,可以调控钙钛矿溶液的结晶过程,提高钙钛矿的结晶质量,降低钙钛矿晶体缺陷,进而减少器件中总的复合损失;另一方面,5-AVAI和MABF_4的引入在获得高效稳定器件的同时,可以改善钙钛矿晶体的电荷传输性能,减少间隔层厚度对电荷传输的影响,从而有利于载流子在MPSC中的分离和传输。同时,研究了在MAPbI_3前驱体溶液中分别加入5-AVAI、5-AVACl或5-AVABr来制备混合钙钛矿,并应用到无空穴传输层的MPSC中,研究不同卤化氨基酸对器件光伏性能的影响。经过对比,三种氨基酸器件的光电转化效率(PCE)顺序为PCE(5-AVAI)PCE(5-AVACl)PCE(5-AVABr)。其次,在(5-AVA)_xMA_(1-x)PbI_(3-x)Cl_x混合钙钛矿基础上研究了MACl和MABF_4取代MAI所形成的混合钙钛矿(AFC)器件的光电性能。首先,AFC双掺杂钙钛矿薄膜具有较少的缺陷和较高的结晶质量,进而延长钙钛矿体内载流子的寿命。其次,分析了(5-AVA)_xMA_(1-x)PbI_(3-x)Cl_x混合钙钛矿控制器件和AFC混合钙钛矿器件的电流密度-电压(J-V)响应曲线。研究发现基于AFC组分调控的混合钙钛矿器件具有较快的J-V响应速度和较小的迟滞效应。强度调制光电流谱(IMPS)测试结果表明,基于AFC混合钙钛矿器件具有较快的离子传输速度,有助于加快器件J-V测试的响应速度,减小钙钛矿器件的迟滞现象。随后,在MAPbI_3前驱体溶液中引入LiCl添加剂,制备无空穴传输层印刷MPSC器件。研究表明MAPbI_3前驱体溶液中加入LiCl后,改变了钙钛矿溶液的结晶过程,改善钙钛矿晶体形貌,提高了钙钛矿薄膜结晶质量;另一方面,LiCl共混钙钛矿,提高钙钛矿体内载流子浓度,同时大幅度增加了钙钛矿薄膜的导电性能。共混后的钙钛矿器件具有较高的开路电压和填充因子,从而使效率从10%提高到14.5%。最后,研究了在MAPbI_3前驱体溶液中共混不同卤代离子化合物(LiCl、LiBr或LiI)后对MPSC器件光伏性能的影响。研究表明LiCl、LiBr或LiI共混钙钛矿材料都可以提高器件的光伏性能,但同时又具有差异性。与本征钙钛矿器件相比,基于LiCl或LiI共混的钙钛矿材料对器件的开路电压、短路电流及填充因子均有明显提升;而对于LiBr共混的钙钛矿器件在提高开路电压和填充因子的同时,明显降低了器件的短路电流。XRD研究结果表明对于LiBr共混的钙钛矿材料,在退火后形成了MAPbI_(3-x)Br_x相混合钙钛矿,使混合后的钙钛矿带隙增大。其次,研究发现LiCl、LiBr和LiI三种不同卤代离子化合物都可以改善钙钛矿结晶形貌,共混后钙钛矿薄膜结晶质量高低顺序为LiClLiILiBrMAPbI_3。此外,结果还表明LiCl、LiBr或LiI共混后的钙钛矿薄膜的导电性均显著提高,但以LiCl共混钙钛矿的电学性能最为优越。
【图文】：

太阳能电池,制作环境,洁净度要求,光电转化

华中科技大学博士学位论文部的缺陷，，将会导致半导体内的载流子发生严重复合，进而降低器件的光电转化效率。因此，对硅半导体材料的纯度要求较高，制作环境的洁净度要求非常苛刻，制作工艺复杂、成本较高。这在一定程度上阻碍了晶体硅类太阳能光伏产业的进一步发展。

钙钛矿,太阳能电池,反式结构,结构示意图

层 TiO2进行掺杂处理，如 Yang 课题组[80]用钇掺杂的二氧化钛（Y-TiO2）来提高界面处的电荷传输，获得了 19.6%的效率；Sargent 课题组[81]用 Cl 包裹的二氧化钛（TiO2Cl），来改善电子传输层与钙钛矿之间的界面接触，从而减少界面处的复合，在活性面积为 0.049 cm2条件下获得了 20.1%的认证效率。1.4 钙钛矿太阳能电池基本结构有机-无机杂化钙钛矿材料，在过去几年中被广泛应用于各种不同的光伏器件。由于器件结构种类较多，按照不同的分类标准，可以把钙钛矿太阳能电池划分为不同的种类。本文中列举了三种具有代表性的钙钛矿太阳能电池结构：一是传统结构钙钛矿太阳能电池[41, 44, 59]；二是反式结构钙钛矿太阳能电池[40, 82, 83]；三是无空穴传输层介观钙钛矿太阳能电池[84]，如图 1.2 所示。此外，在传统结构和反式结构太阳能电池中，根据有无纳米氧化物介孔层又可划分为：平面异质结钙钛矿太阳能电池[28, 42, 85和层状介孔结构钙钛矿太阳能电池[22, 27, 86]。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4

【参考文献】