钙钛矿太阳能电池空穴传输层和界面的研究

发布时间：2020-06-13 21:29

【摘要】：近年来,钙钛矿太阳能电池凭借其光电转换效率(PCE)高、制备工艺简单等优势备受研究者关注。钙钛矿太阳能电池通常由钙钛矿层、电子传输层、空穴传输层和电极组成。其中,空穴传输层对钙钛矿太阳能电池的效率、稳定性、迟滞以及成本起着重要的作用。因而,开展空穴传输层的研究对于构建高效、稳定、低迟滞和低成本钙钛矿太阳能电池具有重要的科学意义和应用价值。基于此,本论文对钙钛矿太阳能电池空穴传输层进行了详细地研究,主要包括新型空穴传输材料、空穴掺杂剂和掺杂方式的开发,以及空穴掺杂剂在钙钛矿太阳能电池界面修饰上的应用研究。本论文具体研究内容如下:设计并制备了两个基于三苯胺类的新型空穴传输材料LHTM-1和LHTM-2,研究了空穴传输分子结构与光伏性能之间的构效关系。LHTM-1和LHTM-2的结构差异在于利用咔唑单元取代LHTM-1中的吩噻嗪单元以构建LHTM-2。研究结果表明,利用咔唑单元取代吩噻嗪单元有助于改善相应空穴传输分子的平面性,降低HOMO能级和提升空穴迁移率。最终,以Li-TFSI/t-BP/FK209掺杂的LHTM-2为空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池取得了较优的效率14.81%(J_(SC)=19.72 mA cm~(-2)、V_(OC)=1.058 V、FF=0.72),其可达基于Spiro-OMeTAD为空穴传输材料电池效率的92%(PCE=16.07%)。开发了一种用于钙钛矿太阳能电池的经典有机小分子空穴传输材料Spiro-OMeTAD的新型含氟疏水空穴掺杂剂F4-TCNQ,其极具潜力取代明星掺杂剂Li-TFSI/t-BP。紫外-可见吸收光谱研究结果表明F4-TCNQ能够氧化Spiro-OMeTAD,无需长时间的空气氧化流程,进而缩短了钙钛矿太阳能电池的制备周期。与此同时,以F4-TCNQ掺杂Spiro-OMeTAD为空穴传输层可以减少钙钛矿太阳能电池的串联电阻、促进钙钛矿层/空穴传输层界面光生空穴的抽取、注入与传输,最终致使电池的J_(SC)、FF和PCE同时提升。基于最佳F4-TCNQ掺杂浓度下的钙钛矿太阳能电池获得了12.93%的效率(J_(SC)=19.04 mA cm~(-2)、V_(OC)=0.925 V、FF=0.73),其与Li-TFSI/t-BP掺杂Spiro-OMeTAD的效率相接近(PCE=14.32%)。进一步地,基于F4-TCNQ的钙钛矿太阳能电池还获得了低的J-V迟滞和优异的长期稳定性。开发了一种用于钙钛矿太阳能电池的经典聚合物空穴传输材料PTAA的新型疏水路易斯酸空穴掺杂剂(LAD)。基于LAD的钙钛矿太阳能电池获得了19.01%的效率,其高于基于明星掺杂剂Li-TFSI/t-BP掺杂PTAA为空穴传输层的电池效率(PCE=17.77%)。其优异光伏性能归因于LAD掺杂的PTAA具有高的空穴迁移率、适宜的HOMO能级、快的界面电荷传输和低的电荷复合率等优势。与此同时,基于LAD的钙钛矿太阳能电池还具有低的J-V迟滞和优异的环境稳定性。二次离子质谱研究结果表明掺杂剂Li-TFSI中锂离子会向钙钛矿层和TiO_2层迁移并在TiO_2层聚集,导致基于Li-TFSI/t-BP的钙钛矿太阳能电池具有较大的迟滞。借助基于同步辐射光源的大型科学装置检测了钙钛矿结构在长期稳定性测试过程中晶体结构的变化,深入分析了基于LAD的钙钛矿太阳能电池具有优异环境稳定性的内在机制。基于LAD,创新性地开发了一种LAD渗透扩散梯度掺杂空穴传输材料PTAA的新型掺杂方式。飞秒瞬态吸收光谱和荧光光谱研究发现基于LAD渗透扩散梯度掺杂的PTAA层,有助于提高其从钙钛矿层抽取光生空穴的能力,以促进空穴的传输和减少复合。同时,开发了新型的压力协助溶液法来控制钙钛矿薄膜的生长、成核和结晶过程,可控地制备了高结晶、微米级晶粒和低缺陷态密度的钙钛矿晶体。通过结合渗透扩散梯度掺杂法与压力协助溶液法制备的钙钛矿太阳能电池获得了20.32%的效率(J_(SC)=23.06 mA cm~(-2)、V_(OC)=1.12 V、FF=0.79)。利用明星空穴掺杂剂t-BP作为界面层修饰TiO_2以调控TiO_2/钙钛矿界面特性。基于t-BP修饰的钙钛矿太阳能电池实现了V_(OC)由1.03 V到1.09 V的提升,FF由0.71至0.75的提升,PCE由16.14%至17.58%的提升。钙钛矿太阳能电池效率的提升归因于t-BP可调控TiO_2的能级和功函数以及减少其表面缺陷态密度。与此同时,基于t-BP修饰TiO_2的钙钛矿太阳能电池获得低的J-V迟滞,其归因于t-BP与TiO_2表面的缺陷位点特异性结合以钝化其缺陷态。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM914.4

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本文编号：2711769