叠合式光伏器件界面构筑及光电特性研究

发布时间：2020-09-16 14:29

　　 近年来,全固态钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells,PSCs)作为一种新型器件已经成为光伏领域的研究前沿,其光电转化效率从2012年的9.7%上升到目前的24.2%。新型器件结构的研究对推动PSCs产业化发展以及丰富人们对其光/电物理特性的认知具有重要意义。叠合式PSCs(stacking PSCs,S-PSCs)是一种新型器件结构,这种电池由光阳极和背电极在外界机械压力下直接叠合而成。首先相较于其它器件结构,S-PSCs中的两个组成部分可独立制备,非常适合卷对卷(roll-to-roll)或者模块化生产;其次,该器件不需要真空蒸镀贵金属Ag、Au,降低了成本;第三,这种器件结构可以灵活组装和反复拆卸。然而,这种器件结构目前存在的一些关键科学问题还没有得到解决,其中,如何构造一个电学特性优异的可叠合式界面尤为关键。本论文系统考察了相关的界面接触问题,并通过界面修饰进一步提升S-PSCs的光电性能。(1)以四种常见有机空穴传输材料为对象,系统研究了S-PSCs可叠合界面构筑过程中所涉及到的关键因素,这四种材料为聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)、聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(P3HT)、2,2’,7,7’-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9’-螺二芴(Spiro-OMeTAD)和聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)。研究表明,S-PSCs中可叠合界面的电学接触与材料自身导电性以及机械弹性密切相关。连续施加/释放压力测试实验表明PEDOT:PSS具有良好的弹性,两个电极在接触时可以产生界面较为充分弹性形变,增大了电极之间的有效物理接触面积,从而使得可叠合界面具有良好电学接触。电池性能测试结果表明,基于PEDOT:PSS的S-PSCs获得了10.8%的光电转换效率,明显优于其它几种空穴传输材料。该项研究为S-PSCs可叠合界面的构筑以及器件性能的提升提供了实验依据。(2)在上述研究的基础上,添加1,6-己二胺碘(1,6 hexanediamine iodine,HDADI)对PEDOT:PSS进行半导体特性的有效调控。研究表明,HDADI的添加可以有效降低PEDOT:PSS功函数(4.8 eV),使其与FTO功函数(4.7 eV)更加接近,这有利于减少PEDOT:PSS与FTO之间的界面势垒,更加有利于光生电荷的转移。其次,HDADI的添加能够大幅增加PEDOT:PSS黏性,从而更进一步降低了界面电阻并提升了器件光电性能。因改性后PEDOT:PSS具有较大黏度,原有的S-PSCs的器件结构得以进一步获得简化,在新结构中,PEDOT:PSS可以和其它功能层进行直接叠合。电化学阻抗(EIS)分析表明,这种简化后的结构依然具有良好的界面电学接触。通过对PEDOT:PSS层厚度进行优化,这种简化结构后的S-PSCs获得了12.3%光电转换效率。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM914.4

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本文编号：2819969