高效率倒置平面异质结钙钛矿太阳能电池的研制

发布时间：2020-10-13 03:13

　　 钙钛矿太阳能电池因为其具有高的光电转换效率、高载流子迁移率、较长的载流子扩散长度和简单的制备工艺等优势,受到了越来越多人的关注。目前钙钛矿太阳能电池的热门研究方向包括提高太阳能电池效率、界面工程、提高稳定性、无铅钙钛矿、全无机钙钛矿等。本论文主要通过界面修饰和表面钝化来改善钙钛矿晶体的接触界面,实现了倒置平面异质结钙钛矿太阳能电池的能量转换效率(PCE)的提高。本论文具体工作可分为以下三个方面:(1)通过使用甘油和氯化胆碱的混合物修饰空穴传输层NiO_x表面,研究表明在修饰后的NiO_x上制备的MAPbI_3薄膜具有更光滑的表面和更均匀的晶粒,相比于标准器件,经过界面修饰的器件的J_(SC)从17.77 mA/cm~2增加到20.35 mA/cm~2,光电转换效率也从13.37%增加到15.25%。研究表明,经过甘油和氯化胆碱修饰后,NiO_x表面浸润性的提高对MAPbI_3薄膜的形貌改善起着至关重要的作用,这种方法为界面修改提供了一种全新且更环保的选择。(2)通过将氧化石墨烯分散液旋涂在NiO_x薄膜表面形成单分子缓冲层。这种单分子缓冲层有两方面的作用,一方面,氧化石墨烯具有良好的疏水性,它可以有效的阻隔水分的渗透,避免造成钙钛矿的加速分解;另一方面,氧化石墨烯修饰NiO_x后可以获得更好的钙钛矿薄膜,使得器件的V_(OC)和J_(SC)增加。实验结果表明,当分散液浓度为0.05 mg/mL时,器件效率达到了最高,从标准器件的13.20%提升到了15.18%。器件性能的提升可归因于空穴迁移率的提高、漏电流的减少、载流子复合的减少以及电荷提取效率的提升。(3)通过溶液旋涂法将甘油混合氯化胆碱溶液沉积到钙钛矿表面上,对钙钛矿活性层表面进行表面钝化处理,实验探究了钝化对钙钛矿活性层的影响。实验结果显示,当使用氯化胆碱钝化活性层时,器件的性能会有提升,使用甘油钝化活性层时,器件的性能会明显降低,而在氯化胆碱溶液中混合少量的甘油钝化活性层时,器件性能有明显的提升,相比于标准器件,钝化后的器件V_(OC)从1.03 V增加至1.06 V,J_(SC)从16.35 mA/cm~2提升至18.89 mA/cm~2,PCE从13.22%提升到了15.02%,这种方法提供了一种钝化钙钛矿活性层的简单工艺。
【学位单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM914.4
【部分图文】：

21 世纪以来，人类社会发展对于能源的需求日益紧张。石油、煤、天然气等传统能源的储备日趋减少，与此同时，传统能源大量使用会导致地球气候变暖以及严重的污染问题。因此，开发清洁可再生的新能源迫在眉睫。目前世界致力于开发的可再生新能源包括氢能、太阳能、海洋能、风能、核能、生物能等。其中，太阳能以其分布广泛、环保清洁、可再生、无地域时间限制等优势受到科学家们的重视，世界各国也致力于推动太阳能技术产业化，将其应用到实际生产的各个领域中，例如发电、供暖等。目前，市场化的光伏技术包括第一代的晶硅太阳能电池和第二代的 CIGS、CdTe、CuZnSnS、多晶硅和非晶硅等[1]薄膜太阳能电池。但是限于制备成本高昂、处理程序繁杂、材料来源稀缺等诸多问题，太阳能电池未能得到大规模的生产和应用，其每年的发电量不足全球总能耗的 1%[2]。新型的太阳能电池包括聚合物太阳能电池[3]、有机太阳能电池[4]、染料敏化太阳能电池[5]、量子点太阳能电池和钙钛矿太阳能电池等[6, 7]，因其具有制备成本低、效率提升快、资源丰富等优势[8-16]，解决了第一代和第二代太阳能电池存在的问题，从而成为当前的研究热点。

PbI3是一种典型的钙钛矿晶体，其结构如图1.2所示，CH3NH3+离子占有立方晶胞的顶角， I-离子则占有立方晶胞的面心位置，Pb2＋离子则填充于1/4 的立方八面体空隙中, 八面体的共角形成三维的空间结构。钙钛矿具有诸多优异的物理性质，例如在可见光范围内吸收系数高，载流子寿命长、扩散长度长、迁移率高，激子结合能低等[19]，这些特性也使得钙钛矿在太阳能电池中脱颖而出。图 1.2 钙钛矿的结构示意图：A 为一价阳离子，B 为二价阳离子，X 为卤素离子金属卤化物钙钛矿的最大优点之一是能够通过离子取代来调节其光电性质。在 ABX3钙钛矿结构中

电子和空穴向钙钛矿活性层与传输层的界面处扩散，只要扩散的距离小于身的扩散长度，载流子就不会因为复合而发生湮灭，通常钙钛矿薄膜不特别厚，载很容易地扩散到钙钛矿活性层与传输层的界面。LUMO 能级的电子流向能级较低电形成自由电子，同样 HOMO 能级的空穴流向能级较高的空穴传输层形成自由空穴，电场的作用，电子和空穴会在各自的传输层沿着相反的方向迁移，光激发扩散和内者的作用使得载流子处于动态平衡状态。值得注意的是，电子传输层一般选择利于的 n 型半导体，空穴传输层一般选择利于电子传输的 p 型半导体。因为电子传输层能级高于阴极，同时空穴传输层的价带顶能级低于阳极，自由电子和自由空穴会继的阴极和阳极扩散，在闭合电路中对外输出电流。总的来说，钙钛矿太阳能电池的工作原理可总结为以下几个 4 过程：（1）钙钛矿吸收电子-空穴对；（2）电子和空穴扩散至传输层/吸收层的界面；（3）电子和空穴分别注输层和空穴传输层；（4）阴极和阳极收集电子和空穴，对外输出电流。
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本文编号：2838657