反式钙钛矿太阳能电池中钙钛矿层表面与体相修饰研究

发布时间：2020-10-14 15:36

　　 钙钛矿材料优异的光电性质吸引了大批科研人员的关注。在十年左右的时间内,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率效率从最初的3.8%提升到23%以上。富勒烯(C_(60))是反式钙钛矿太阳能电池常用的电子传输材料,它价格较低,且适合真空蒸发镀膜,对于大面积器件制造的均匀性和一致性具有重要作用,十分有利于工业化生产。然而,C_(60)与钙钛矿的能级匹配存在一定的损失,这导致了在同等工作条件下,以C_(60)作为电子传输层的钙钛矿光伏电池器件的开路电压比参比材料PCBM的要低一些,光电转换效率就受到影响。因此,需要开发一种可大面积均匀制备的钙钛矿表面修饰与界面能级调控方法,以提高钙钛矿太阳能电池的开路电压。此外,钙钛矿层极易被空气中水蒸气催化水解,导致相应的电池器件在环境中的稳定性很差,因此,有必要通过钙钛矿层的体相修饰提升其稳定性。针对以上两个问题,本文主要开展了以下研究工作:(1)将氟化锂和氟化钠通过真空蒸发镀膜法沉积在钙钛矿薄膜上,制备出结构为Glass/FTO/NiMgLiO/MAPbI_3/XF/C_(60)/BCP/Ag的钙钛矿太阳能电池器件。通过调整沉积厚度,可看出当氟化钠修饰层厚度为0.5nm时,电荷传输最优,且钝化了表面缺陷,使得电池器件的开路电压从1.03V提高到1.09V,获得了18.03%的光电转换效率,优于PCBM基的参比器件。(2)将一定摩尔比例的聚乙烯亚胺(PEI)掺入钙钛矿溶液中制成相应的前驱体溶液,并采用一步溶液旋涂法制备钙钛矿光吸收层,得到相应薄膜和结构为Glass/FTO/NiMgLiO/MAPbI_3(PEI)/NaF/C_(60)/BCP/Ag的反式钙钛矿太阳能电池器件。通过一系列XRD,SEM,PL,透过,J-V曲线等表征分析发现,掺杂0.5%摩尔比的PEI足以有效钝化MAPbI_3钙钛矿膜的体相缺陷,且使薄膜表面更加平整,针孔得到控制,而相应的电池器件也获得了18.41%的电池光电转换效率;并且PEI聚合物的疏水性使器件具有更优异的环境稳定性,在空气中放置200小时效率保持初始值的99%。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM914.4
【部分图文】：

源是社会与经济发展的基础。据权威预测，未来数十年内，全世界尤源的需求仍将有较大幅度的上涨。然而，由于资源地理分布的原因，国其他化石能源储量相对短缺，其中，石油目前的进口依存度已超过石油很大一部分要经过海上运输，但当下国际的安全形势多变，能源分紧张。同时，我国在 2013 年的能源消费总量就已位列世界第一位，吨标准煤当量。在这当中，又以煤炭消费占比达到 66%。而燃煤过程氮氧化物、硫氧化物也已高居世界首位[1]。大气污染、酸雨等危害日华北地区的沙尘暴到近年愈加严重的雾霾污染以及全国 PM2.5 等严重题充分表明，我国环境的承载和自愈能力早已饱和，改变现有的能源持续清洁能源迫在眉睫。如图 1-1 所示，截止 2016 年，清洁可再生能能源消费中的占比依然很低。

图 1-2 各类太阳能电池的发展历程及其认证的光电转换效率[19]1.2.3 太阳能电池的主要性能参数通过在标准光照条件下测得光伏电池器件的伏安特性曲线（电流密度-电压曲线J-V 曲线），我们可以得到用来评价太阳能电池性的最重要的四个参数[20]，即能量转换效率（PCE）、开路电压（Voc）、短路电流密度（Jsc）和填充因子（FF）四个指标，如图 1-3 所示就是伏安特性曲线。短路电流密度（short-circuit current density，Jsc）是指当电池整个回路处于短路状态（电池外加偏压为零）下单位面积产生的光生电流。从 J-V 曲线与纵轴的截距就可直观看出短路电流密度。一般情况下，短路电流密度会随着光生电子空穴对的分离和迁移来提高。开路电压（open-circuit voltage，Voc）是指电池在开路状态（电池电流密度为零）下产生的光生电压。从伏安特性曲线中我们可以看出曲线与横轴的截距就是开路电

图 1-3 太阳能电池的伏安与功率-电压特性曲线填充因子（fill factor，FF）指的是太阳能电池的最大功率（Pm）与电流密度（J开路电压（Voc）的乘积之比，其计算公式如公式 1-1：FF = sc = （1其中，Pm为太阳能电池的最大功率，Jm，Vm分别为太阳能电池在最大功率点应的电流密度和电压。能量转换效率（power conversion efficiency，PCE）是衡量光伏器件性能最直参数，代表光伏电池将太阳能转换为电能的能力，其计算方式如公式 1-2，即光池能达到的最大功率（Pm）与太阳照射到电池表面的功率（Pin）的比值。 = in× 100% = × 100% （1.3 钙钛矿太阳能电池发展史
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本文编号：2840857