杂化钙钛矿太阳能电池的制备与性能研究

【摘要】：最近五年来,钙钛矿电池凭借其高效率、低成本、和简单的制作工艺等特点,得到了光伏器件领域的广泛关注。通过不同的杂化钙钛矿材料的引入和电池结构的改进,使得钙钛矿太阳能电池的光电转换效率超过20%。传统的钙钛矿电池的传统结构为:FTO/致密Ti O2/介孔Ti O2/钙钛矿层/spiro-OMe TAD/Au。2,2,7,7-tetrakis[N,N-di(4-methoxyphenyl)amino]-9,9′-spirobifluorene(spiro-OMe TAD)常用来充当空穴传输材料,但是由于其溶解度低,空气稳定性差,影响了太阳能电池的性能。针对钙钛矿电池稳定性的缺陷,我们尝试选取不同的空穴传输材料,以及优化电池的结构,使电池的稳定性得到较大提高。本论文以钙钛矿太阳能电池为研究对象,制备了光吸收层杂化钙钛矿CH3NH3Pb I3和CH3NH3Pb IXCl3-X材料,和空穴传输层P3HT的钙钛矿太阳能电池,通过阻抗谱的分析、电流电压特征曲线和电容电压特征曲线,揭露了杂化钙钛矿太阳能电池的载流子传输和收集的物理机制。论文主要包含以下内容:第一章,钙钛矿太阳能电池的研究现状、基本原理和主要性能参数及本论文的研究意义。第二章,Ti O2/CH3NH3Pb I3体异质结钙钛矿太阳能电池的制备及电学性质。本章制备的器件结构为:FTO/致密Ti O2/水热Ti O2/CH3NH3Pb I3/Au。通过水热法和旋涂法制备了Ti O2/CH3NH3Pb I3体异质结电池,其性能用电流-电压曲线,阻抗谱和电容电压测试表征。数据表明Ti O2/CH3NH3Pb I3层构成了理想的p-n结,电容电压曲线证明了Ti O2/CH3NH3Pb I3的内建电势为0.67 V。值得注意的是,电池在实验室环境条件下保存15天后,其光电转换效率仍然保持35.5%。以上结果表明了,有取向的氧化钛为无空穴传输材料的钙钛矿光伏器件提供了一个可能的途径。第三章,P3HT为空穴传输层的CH3NH3Pb IXCl3-X钙钛矿太阳能电池的制备与电学性质。本章制备了两种器件结构:FTO/致密Ti O2/水热Ti O2/CH3NH3Pb IXCl3-X/Au和FTO/致密Ti O2/水热Ti O2/CH3NH3Pb IXCl3-X/P3HT/Au。CH3NH3Pb IXCl3-X钙钛矿太阳能电池,它是由致密层氧化钛,水热氧化钙钛矿及空穴传输材料构成,其致密层和定向的氧化钛分别由旋涂法和水热法制备。和没有P3HT的器件相比,采用P3HT作为空穴传输材料的电池,其光电转换效率、开路电压、填充因子都得到较大提高。阻抗谱测试表明P3HT的存在减小了电池的内部电阻,更有利于载流子在氧化钛和CH3NH3Pb IXCl3-X钙钛矿层的界面传输,而且电子寿命要长的多。另外,采用P3HT的器件的电荷收集能力显著提高。能级谱的分析表明了,在CH3NH3Pb IXCl3-X钙钛矿和Au电极之间P3HT薄膜,使能级更加的匹配。值得注意的是,采用P3HT的电池的稳定性得到了较大提高,第四章,CH3NH3Pb IXCl3-X钙钛矿太阳能电池的工艺优化与电学性质。优化了钙钛矿电池整体的制作工艺,包含致密氧化钛的厚度、水热氧化钛的PH值、钙钛矿的结晶以及P3HT的添加混合,让电池的各个部分更加的匹配。采用一种慢干燥的方法,调整钙钛矿的晶体生长速率,提高了电池的覆盖率。同时,在P3HT中混合了双三氟甲烷磺酰亚胺锂和4-叔丁基吡啶,使电池的开路电压增大。电池的电流密度电压(J-V)曲线表明,电池的短路电流(Jsc)为20.8 m A/cm2,开路电压(Voc)为0.93 V,填充因子(FF)为58.9%,光电转换效率(PCE)为11.6%。从电池的SEM俯视图上,可以看到钙钛矿在二氧化钛上的覆盖率得到显著增加,覆盖率的增加导致了电池的光电流明显增大,这和电池的J-V特征曲线一致。第五章,对钙钛矿太阳能电池的总结和展望。

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