基于NiO_x界面修饰的反式钙钛矿太阳能电池的性能研究

发布时间：2020-08-20 12:18

【摘要】：传统的化石能源濒临耗尽,同时对环境造成了极大的污染。为了社会生产的可持续发展,更为了保护地球的环境,人类迫切的需要使用清洁的新能源来取代传统化石能源。太阳能是最常见的安全、环保、无污染的可再生能源。在众多的可直接将太阳的光能转换为电能的光伏技术中,基于钙钛矿吸光层的太阳能电池被认为是最有应用潜力的新一代光伏技术。p-i-n型钙钛矿太阳能电池制备工艺相较于n-i-p型更加简单,且无迟滞效应。但器件的能量转换效率相对较低,尚有较大的提升空间。人们对此尝试了多种方法来提高器件的性能,例如:优化器件结构、对各层进行掺杂、调控温度、调控钙钛矿薄膜表面形貌等。本论文主要通过工艺简单但是切实可行的界面工程与工艺优化等手段,来实现对器件性能的提高,主要内容可分为以下几个方面:(1)用纤维素修饰空穴传输层NiO_x的表面,对纤维素修饰前后器件的SEM、J-V特性曲线、IPCE、浸润性、紫外吸收、荧光光谱、UPS等进行表征,结果发现:纤维素可以改善NiO_x层与钙钛矿层之间的接触,改善钙钛矿薄膜的均匀性,提高器件的J_(SC)。经过纤维素修饰后,NiO_x的功函数得到提高,空穴抽取能力变强,器件的V_(OC)增大。另外通过对比发现,以900 rpm,15 s;4000 rpm,25 s的两步旋涂方式制备纤维素界面层时,器件效率最高,最高效率超过14%。(2)使用PVA修饰NiO_x表面,运用上一章中得到的结论,以900 rpm,15 s;4000 rpm,25 s的工艺旋涂PVA界面修饰层,通过对器件的J-V特性、IPCE、SEM、UPS、XPS、单空穴、PL、浸润性等表征结果可知:PVA界面修饰后,钙钛矿前驱液在NiO_x表面的浸润性变好,二者之间的界面接触得到改善,钙钛矿薄膜表面晶粒变大且十分均匀,缺陷密度降低,空穴迁移率提高。PVA的最佳浓度为0.75 mg/mL,得到的器件效率相比于标准器件从12.66%提高到15.83%,提高了25.03%。(3)使用溶胶凝胶法制备NiO前驱液,对NiO薄膜的退火工艺进行改进,降低退火温度,并对NiO溶液浓度与旋涂转速进行优化。通过对器件J-V、SEM等方式的表征发现,当NiO浓度为15 mg/mL,以4000 rpm,30 s的工艺进行旋涂时,器件效率最高,最高效率为14.08%。另外,通过乙醇胺界面修饰NiO后钙钛矿表面晶粒尺寸大幅度增加,但均匀性变差,J_(SC)小幅度提高。
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM914.4
【图文】：

太阳能电池,新型太阳能电池,钙钛矿

图 1.1 NREL 关于太阳能电池的研究进展（2019）[5]新型太阳能电池[11]：新型太阳能电池一般为转换效率较高的新概念电池，主要有：染料敏化太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cell）[12]、有机太阳能电池（Organic Solar Cell）[13]、量子点太阳能电池（Quantum Dot Solar Cell）[14]、聚合物太阳能电池[15]、钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells）[16]等。新型太阳能电池因为兼顾高的能量转换效率与低廉的制备成本而得到广泛研究。PSCs 的出现源于 Miyasaka 等人将 CH3NH3PbI3和 CH3NH3PbBr3作为染料应用于 DSSCs中，达到 3.8%的功率转换效率[17]。但是由于使用了液体腐蚀性的电解质，电池的稳定性很差，寿命仅有几分钟。为了克服这一困难，研究人员相继将固态电解质[18]与 2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴（Spiro-MeOTAD）[19]作为空穴传输材料（HTM）用于钙钛矿太阳能电池中。两类新型 HTM 的使用，不仅使 PSCs 的效率明显提升，器件稳定性也得到了明显的改善。2013 年钙钛矿太阳能电池被 Science 评为十大科学突破，指出了它的出现对光伏领域的

介孔,异质结,杂化,平面结构

学专业学位硕士研究生学位论文第的结构相似，是一种三明治型结构，它还可分为 n-i-p 型（图 1.3（a））b））。p-i-n 型还可称为倒置结构，功能层从下到上分别为：阴极/电子传输/HTL/阳极。n-i-p 型还可称为正置结构，功能层从下到上分别为：阳极/H极。这种平面异质结型 PSCs 的器件结构更为简单，而且操作性灵活，V由于缺少多孔层，钙钛矿层的质量难以得到保证，因此器件效率不稳定。构为基础可以朝叠层器件的方向发展，因此 PH-PSC 成为当下研究最火热

钙钛矿,太阳能电池,柔性衬底

.3 PH-PSCs 的两种结构：（a）n-i-p 型钙钛矿太阳能电池，（b）p-i-n 型钙钛矿太阳能Cs 常用材料的基本介绍节的介绍可知，平面异质结 PSCs 是由阴极、HTL 层、钙钛矿层、ETL 层，每一个组成部分都对整个电池的性能有很大的影响，因此本节将对每一行介绍。PSCs 的衬底：伏器件中常见的衬底有玻璃衬底以及柔性衬底，玻璃衬底通常耐高温，适的光伏器件，目前广泛使用于钙钛矿太阳能电池中。柔性衬底多为聚酯塑、PEN，这种柔性衬底具有柔韧性好、透光性好、质量轻等优点，可用于电池电池的制备。但是这种柔性衬底通常不耐高温，因此限制了它的使用PSCs 的阴极：s 中为了保证光吸收层对光的吸收，阴极材料选用透明导电材料。常用的阴

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