高效平面异质结钙钛矿太阳能电池的低温制备及滞后效应消除研究

发布时间：2020-07-13 09:46

【摘要】：近年来,有机-无机复合钙钛矿太阳能电池由于其在可见光范围内的高效光捕获能力,带隙可调且具有高缺陷容忍特性以及使用低成本原材料的溶液法制备工艺而引起了广泛的研究兴趣。然而传统TiO_2电子传输层的高温制备,空穴传输层Spiro-OMeTAD的掺杂氧化处理,以及钙钛矿器件中大量本体与界面缺陷的存在限制了钙钛矿太阳能电池的大规模应用。本论文主要探讨采用低温制备工艺合成金属氧化物半导体材料,进一步通过界面修饰或本体修饰降低器件内部缺陷密度,提高钙钛矿器件的光伏性能。研究内容主要分为以下几个方面:(1)通过低温溶胶-凝胶反应,以四氯化钛为前驱体,乙醇和苯甲醇作为混合溶剂,优化制备条件,获得结晶程度较高的TiO_2纳米粒子,以双乙酰丙酮钛酸二异丙酯(TIPD)作为添加剂有效分散乙醇溶剂体系中的团聚TiO_2纳米粒子,经过低温热处理后的薄膜具有较高的致密性,引入富勒烯衍生物作为界面修饰层,减少钙钛矿与TiO_2界面的缺陷密度,器件性能得到显著提高,消除了器件中存在的滞后现象,得到最高20.3%的光电转化效率,同时实现器件效率的稳定功率输出。(2)采用基于咔唑和苯并噻二唑的共轭聚合物作为空穴传输层进行器件的制备研究,通过分子结构设计,赋予共轭聚合物优异的电荷传输性能,薄膜表面疏水性能,同时具备钙钛矿缺陷钝化功能。研究表明,接枝甲氧基侧链的共轭聚合物PCDTBT1作为空穴传输层时,通过噻吩基团与甲氧基的协同钝化作用,器件的缺陷密度有效减少,无明显滞后现象,达到与以Spiro-OMeTAD为空穴传输层的器件相当的效率,并且无需通过后期掺杂氧化处理以提高器件性能,极大简化了钙钛矿器件的制备工艺。(3)通过上述电子传输层与空穴传输层的设计优化,采用两步法制备钙钛矿活性层,引入离子型盐类添加剂三甲胺盐酸盐到碘化甲胺的异丙醇溶液中,调控钙钛矿晶体的核化与晶化速率,获得晶粒尺寸较大、晶界较少的钙钛矿薄膜。三甲铵阳离子与氯离子对钙钛矿本体缺陷的双重缺陷钝化作用,能够有效减少钙钛矿本体缺陷密度,加快电荷传输,抑制载流子复合,提高电荷扩散长度,最终实现了低温制备,采用无掺杂空穴传输层,以普通碘化甲胺铅(MAPbI_3)为光活性层的钙钛矿太阳能电池的最高器件效率达到20.9%。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4
【图文】：

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已经成为光伏领域的已经被科学界所熟知了一个多世纪，德国矿物科学家 Gustrav Rose 在罗斯同事 Lev Perovsky 的名字命有钙钛矿结构化合物，用于太阳能的钙钛矿半导体材料。它们具有直移率以及较小的激子结合能[3]。钙钛具有相同的晶体结构。A 和 B 是不。理想情况下，钙钛矿属于立方晶角组成，阳离子 A 位于三维结构径较大，那么晶体结构便会发生扭变 A，B 和 X 离子来改变，其带离子进一步调整[4]。含有有机阳离+（甲脒，FA+）和 I-、Cl-、Br-阴离电池中表现出最高的器件效率和稳

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1-2（a）介孔以及（b）平面异质结结构钙钛矿太阳能电池示意图结构中支架层的存在有助于沉积均匀的大面积薄膜，并且其还可层提供快速电荷抽取运输通道，从而改善电荷传输过程。然而，性特征可使其完全不使用介孔支架层，采用平面异质结结构制备器对介孔 TiO2层进行高温煅烧处理。在平面异质结结构钙钛矿太阳图 1-2b 所示，器件结构与介孔结构类似，不同之处在于介孔支架，并且钙钛矿层夹在致密 TiO2电子传输层（n 型）和空穴传输层（p 矿太阳能电池的另一种器件结构是倒置平面结构，其中钙钛矿薄聚 3，4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）、氧化镍（N钼（MoO3）的电子阻挡层上，空穴通过底部氧化铟锡（ITO）电然而，目前最高效的钙钛矿太阳能电池仍是采用 100-200 nm 厚的层和 200-300 nm 厚的钙钛矿覆盖层进行器件的制备。

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武汉理工大学硕士学位论文图 1-3a 描绘了介孔结构钙钛矿太阳能电池的制备步骤，首先对图案化的FTO 玻璃进行清洗，然后通过旋涂或喷雾热解沉积致密 TiO2电子传输层，随后旋涂介孔 TiO2浆料并在 500 ℃条件下进行高温烧结。介孔 TiO2层的厚度，孔径和孔隙率均为影响最终器件效率的重要参数，其中孔隙的有效填充是避免器件发生漏流的关键因素，为了避免器件工作过程中出现漏电流，在支架层顶部引入一层较薄的钙钛矿覆盖层，增强了光吸收的同时抑制了分流路径[22]。对于平面异质结结构钙钛矿器件（图 1-3b），首先旋涂致密层 TiO2，随后通过一步或两步沉积方法制备钙钛矿，然后旋涂空穴传输层，最后将金属对电极银（Ag）或金（Au）蒸镀到空穴传输层上以完成器件的制备。

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