钙钛矿太阳能电池中界面及添加剂的研究

发布时间：2020-08-07 01:19

【摘要】：近年来,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池吸引了各界的广泛关注,其效率已由最初的3.81%迅速突破22.7%。该类材料具有大的消光系数、长的载流子迁移距离、高的电荷迁移率、两极电荷传输特性、带隙可调以及缺陷态密度低等优点,因此在光电器件中有极大的应用前景。目前,制约其发展的关键问题有能量转换效率,电池稳定性以及器件制备成本,而解决这些问题可以从提高钙钛矿吸光层薄膜的质量,改变钙钛矿材料的组成成分,开发新型界面材料,优化电池的制备过程等方面入手。本论文通过开发性能优异的界面材料,采用新型廉价添加剂优化钙钛矿吸光层薄膜的质量,进而使钙钛矿太阳能电池的性能得到了显著的提升。论文的主要成果如下:(1)创新性地将廉价、高迁移率的碳材料——氧化石墨烯(GO)和成膜性较好的PEDOT:PSS复合,并通过溶液旋涂法在掺铟的氧化锡(ITO)导电玻璃上制备了不同浓度GO掺杂的PEDOT:PSS薄膜。研究发现500 uL GO掺杂后制备的PEDOT:PSS薄膜表面覆盖率高、粗糙度小、透光率高,且空穴迁移率相较于原始的PEDOT:PSS薄膜(5.55×10-5cm2V-1s-1)提升到1.57×10-4cm2V-1s-1,提高了约一个数量级。(2)利用GO掺杂的PEDOT:PSS薄膜作为空穴传输层,成功制备了高效率反式结构的钙钛矿太阳能电池器件。相比于原始的PEDOT:PSS空穴传输层,掺杂后电池的漏电流显著减小,致使开路电压增加,效率提高了将近20%。研究发现,GO掺杂后薄膜具有较高的透过率和空穴迁移率,可以较快地从钙钛矿吸光层中收集和提取空穴,减少了电荷复合,从而提高了电池器件的短路电流密度和填充因子。(3)利用 1,8-辛二硫醇作为[HC(NH2)2]0.95Cs0.05PbI3(FA0.95Cs0.05PbI3)钙钛矿吸收层添加剂,通过优化1,8-辛二硫醇的浓度,制备了结晶度较高、表面粗糙度较小、晶粒尺寸较大、缺陷态密度较低、载流子寿命较长的高质量钙钛矿薄膜。研究表明,1,8-辛二硫醇中的硫原子在晶体生长过程中和Pb2+进行鳌合,并形成Pb-S鳌合中间体,从而降低了钙钛矿薄膜结晶过程中吉布斯自由能。基于此薄膜,成功制备了平板型钙钛矿太阳能电池,其滞后效应明显减小,获得了优异的光电性能,电池效率从18.39%提高至19.36%。
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4
【图文】：

１．２钙钛矿太阳能电池逡逑钙钛矿太阳能电池是新起之秀，这类电池最早的光电转换效率只有３．８％，至逡逑２０１８年为止，不到十年的时间，其效率己经突破２２％，如图１－２。正因为效率的突飞逡逑猛进，钙钛矿太阳能电池获得了两大著名学术刊物《Ｓｃｉｅｎｃｅ》和《Ｎａｔｕｒｅ》的关注。逡逑钙钛矿电池发展迅速，得益于钙钛矿材料来源广泛易得，且具有较大的光吸收系数、逡逑合适的禁带宽度、极低的缺陷态密度、较高的载流子迁移率、以及较长的电荷扩散逡逑长度等优点［１１，１２］。除此之外，钙钛矿太阳能电池同目前的硅电池以及薄膜电池相逡逑比，拥有更加简单的制备工艺，制备成本大大下降，有较大的商业化潜力及市场应逡逑用前景。逡逑Ｂｅｓｔ邋Ｒｅｓｅａｒｃｈ－Ｃｅｌｌ邋Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ逦□邋ＮＲＥＬ逡逑５２１逦逡逑Ｍｕｌｔｉｊｕｎｃｔｉｏｎ邋Ｃｅｌｌ＊邋（２邋ｌｅ＜ｎｗｉ８ｌ，邋ｍｏｎｏＳｔｈｉｃ）邋Ｔｈｌｎ－Ｆｌｌｍ邋Ｔ？ｄｉｎｏｌｏｇｌｅｔ逦Ｓｈ＊Ｐ逡逑．．邋Ｌ？－ｌ？ｏｅｒＴ？ｆ？ａ逦Ｏ邋ＣＩＧＳｌｃａｎｃｃｎｔｍｔｏｃ）逦ＢｌＶＨｎｏ逦（ＷＭ．３０２Ｘ）逡逑４４邋－邋Ｔ邋ＴｈｗｉｕｒＫｆｃｎｔｏｏｎ－ｅｏｎａｎＷｔｏｆ）逦ＥｍｔｆＢｍｆｌ邋ＰＶ逦？，，／逦＇？？逦＜０６．逦＂逦？邋ＢＳＨＶ逡逑Ａ邋Ｔｗ0＞ｍｃｔｗ（ｃｏｎｏｅｎ？＊（0ｔ）逦0邋Ｄ）Ｗ－Ｍｎ？ｕ？ｄ邋ｎＭｋ逦ＮＲａ逡逑Ａ邋＾Ｈｕｎ0ｏｎ‘ｎｏｎ＜ｗ？ｏｒｔｔｅ｜逦0逦（ｎｏｔｕＭｎｄｌ逦咖１逡逑４０邋＿邋口邋ｆｏｕｒ＾ｌ＾ｏｃｍｏｒ＊｜ｎｏ＜ｖｏｏｎ（ａｎｌｔＭ0ｆ）邋ｔ逦＾逦ＳｐｅｄＳｂ＇Ｍ逡逑ＣｒｙｔＵｌＨｏ＾ＣｔＵｔ逦？邋ｆ邋

逡逑具有ＡＢＸ３型晶体结构的材料称之为钙钛矿。如图１－３所示，ＢＸ６正八面体结构由元逡逑素Ｂ和兀素Ｘ共同构成，八面体和八面体之间通过共用一个顶点Ｘ进行连接，从而逡逑构成三维骨架结构，在整个晶体结构中Ａ的嵌入使晶体结构更加稳定。其中，Ａ—逡逑般为Ｃｓ＋、ＣＨ３ＮＨ３＋邋（ＭＡ）、ＮＨ２ＣＨ：ＮＨ２＋邋（ＦＡ）等较大的阳离子；Ｂ为Ｐｂ２＋、Ｓｎ２＋、逡逑Ｔｉ４＋、Ｂｉ３＋等金属阳离子；Ｘ为ｃｒ、Ｂｒ、ｒ、0２－等非金属阴离子。逡逑满逡逑图１－３邋ＡＢＸ３钙钛矿晶体结构。逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－３邋Ｔｈｅ邋Ｃｒｙｓｔａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ＡＢＸ３邋ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ．逡逑根据Ａ基团的不同，可以将钙钛矿分为无机钙钛矿材料和有机－无机杂化钙钛逡逑矿材料，如ＣｓＰｂＩ３是纯无机钙钛矿；而ＭＡＰｂＩ３是有机－无机杂化钙钛矿，值得一提逡逑的是，它的禁带宽度为１．５５邋ｅＶ，能较好的满足可见光吸收对带隙的要求，利用其逡逑制作的电池效率较无机钙钛矿材料高。此外，ＭＡＰｂｌ３材料成膜工艺简单，通过低逡逑温溶液旋涂工艺，易制备高结晶度、低缺陷态密度、光滑致密、无针孔的钙钛矿吸逡逑光薄膜。这使得有机－无机杂化的钙钛矿材料成为钙钛矿电池的重点研宄对象。另逡逑夕卜

逡逑具有ＡＢＸ３型晶体结构的材料称之为钙钛矿。如图１－３所示，ＢＸ６正八面体结构由元逡逑素Ｂ和兀素Ｘ共同构成，八面体和八面体之间通过共用一个顶点Ｘ进行连接，从而逡逑构成三维骨架结构，在整个晶体结构中Ａ的嵌入使晶体结构更加稳定。其中，Ａ—逡逑般为Ｃｓ＋、ＣＨ３ＮＨ３＋邋（ＭＡ）、ＮＨ２ＣＨ：ＮＨ２＋邋（ＦＡ）等较大的阳离子；Ｂ为Ｐｂ２＋、Ｓｎ２＋、逡逑Ｔｉ４＋、Ｂｉ３＋等金属阳离子；Ｘ为ｃｒ、Ｂｒ、ｒ、0２－等非金属阴离子。逡逑满逡逑图１－３邋ＡＢＸ３钙钛矿晶体结构。逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－３邋Ｔｈｅ邋Ｃｒｙｓｔａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ＡＢＸ３邋ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ．逡逑根据Ａ基团的不同，可以将钙钛矿分为无机钙钛矿材料和有机－无机杂化钙钛逡逑矿材料，如ＣｓＰｂＩ３是纯无机钙钛矿；而ＭＡＰｂＩ３是有机－无机杂化钙钛矿，值得一提逡逑的是，它的禁带宽度为１．５５邋ｅＶ，能较好的满足可见光吸收对带隙的要求，利用其逡逑制作的电池效率较无机钙钛矿材料高。此外，ＭＡＰｂｌ３材料成膜工艺简单，通过低逡逑温溶液旋涂工艺，易制备高结晶度、低缺陷态密度、光滑致密、无针孔的钙钛矿吸逡逑光薄膜。这使得有机－无机杂化的钙钛矿材料成为钙钛矿电池的重点研宄对象。另逡逑夕卜

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本文编号：2783247