基于界面工程和溶液制备法的高性能钙钛矿太阳能电池

发布时间：2020-09-03 15:02

　　 21世纪以来,随着不可再生能源的大量消耗,能源危机日趋明显。因此,充分开发、利用可再生能源成为解决能源危机的主要途径之一。在众多可再生能源之中以太阳能最为突出。太阳能永不枯竭,可以源源不断地为人类提供能量。开发先进光伏技术并制备高效太阳能电池,将太阳能直接转化为电能,对于解决能源枯竭和缓解环境恶化具有非常重大的意义。虽然硅太阳能电池已经完全投入使用并且取得了超过20%的光电转换效率,但其大规模应用受到成本高、污染重以及不可持续性发展等制约。进一步开发高效稳定的太阳能电池尤为重要。近年来,钙钛矿太阳能电池应运而生,其光电转换效率在短短几年内已超过了22%。但是,钙钛矿太阳能电池目前仍然存在一些问题,如成本高、稳定性差以及制备工艺复杂等。为了解决这些问题,我们从界面工程的角度出发,对钙钛矿太阳能电池的器件结构及工作机制进行了相关研究。首先,本文研究了倒置结构MAPb I3-XClX体系钙钛矿太阳能电池及其工作机制。在倒置结构MAPb I3-XClX体系钙钛矿太阳能电池中最常使用的空穴传输层是PEDOT:PSS。虽然基于PEDOT:PSS的倒置器件取得了超过15%的光电转换效率,但是因PEDOT:PSS的酸性、强氧化性、易潮解等性质限制了钙钛矿太阳能电池效率的提高。为了提高其器件性能,作者采用了两种方法对倒置结构钙钛矿太阳能电池的空穴传输层进行修饰和改进。(1)作者结合PEDOT:PSS和水溶性酞菁铜材料Copper phthalocyanine-3,4′,4′′,4′′′-tetrasulfonated acid tetra sodium salt(TS-Cu Pc)的优点,用不同比例的TS-Cu Pc对PEDOT:PSS进行掺杂。通过调整TS-Cu Pc的掺杂比例,得到优质的新型复合空穴传输层。通过原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)等测试手段研究了空穴传输层薄膜及相应的钙钛矿薄膜的形貌。利用电化学阻抗谱(EIS)、稳态光致发光(PL)及紫外可见光吸收(UV/vis)研究了钙钛矿太阳能电池中的电荷抽取和传输性能。针对电池的寿命,作者从空穴传输层薄膜及相应钙钛矿薄膜的接触角及溶液p H值的角度进行了详细研究。最终,基于TS-Cu Pc掺杂PEDOT:PSS空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率达到了17.29%,器件也具有更好的稳定性。(2)虽然基于TS-Cu Pc掺杂PEDOT:PSS空穴传输层的器件效率得到了提高,但是因PEDOT:PSS的存在,混合溶液对ITO电极仍然具有腐蚀性,从而影响器件的稳定性。为了避免这一现象的发生,寻找一种新型的空穴传输材料替代PEDOT:PSS势在必行。作者进一步分别使用有机小分子材料F4-TCNQ和金属氧化物Mo O3掺杂TS-Cu Pc替代PEDOT:PSS作为空穴传输层。研究发现,基于F4-TCNQ掺杂TS-Cu Pc作空穴传输层的器件效率达到了16.14%。但是,基于Mo O3掺杂TS-Cu Pc作为空穴传输层的器件其性能并没有明显改善。作者将两者在空穴迁移率、外量子效率(EQE)、X射线衍射(XRD)以及接触角等方面进行分析对比,发现:相对于Mo O3掺杂TS-Cu Pc空穴传输层,经F4-TCNQ掺杂的混合空穴传输层薄膜的空穴迁移率、器件的外量子效率及薄膜结晶性等方面都得到了有效提高,导致器件总体性能提高,寿命也得到了延长。总之,作者发展的F4-TCNQ掺杂TS-Cu Pc空穴传输材料成本较低,制作工艺简单,器件性能突出,为钙钛矿太阳能电池的空穴传输层提供了新的选择。其次,本文对正置结构MAPb I3体系的钙钛矿太阳能电池进行研究。正置结构MAPb I3体系的钙钛矿太阳能电池中常用的空穴传输层是Spiro-OMe TAD。但是因Spiro-OMe TAD容易被氧化,导致器件的稳定性及可重复性大大降低。将上述F4-TCNQ:TS-Cu Pc材料作为正置结构的空穴修饰层,阻挡氧气进入空穴传输层,可以避免Spiro-OMe TAD层的快速氧化。通过透射电子显微镜(TEM)、莱卡显微镜、外量子效率(EQE)、稳态光电流及寿命等测试表征,详细研究了F4-TCNQ:TS-Cu Pc修饰层的功能。通过器件优化,光电转换效率达到了20.16%。
【学位单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM914.4
【部分图文】：

018年3月美国可再生能源实验室公布的各种电池效率图

基于界面工程和溶液制备法的高性能钙钛矿太阳能电池

钙钛矿AMX3晶体结构

基于界面工程和溶液制备法的高性能钙钛矿太阳能电池

常见的钙钛矿太阳能电池的器件结构

【参考文献】