介观钙钛矿太阳能电池吸光材料的组分调控研究

来源 :华中科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:songjinyi2001
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有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSC),由于其在光伏性能方面优良的表现而被研究者广泛关注。目前,获得认证的钙钛矿太阳能光伏器件光电转化效率已达22.7%。然而获得较高光电转化效率的PSC普遍采用价格较高的空穴传输材料和贵金属电极,制作成本较高。此外,高效器件多采用旋涂工艺制备钙钛矿吸光层,不利于PSC的大面积制作与生产。对于无空穴传输层印刷介观钙钛矿太阳能电池(MPSC),采用石墨复合的碳电极取代金属电极,同时摒弃了价格较贵的有机空穴传输层,降低了PSC的制作成本,避免了因有机材料分解所造成的器件稳定性问题。此外,MPSC电池采用简单的印刷工艺制备介孔膜,同时采用滴涂工艺制备钙钛矿,解决钙钛矿旋涂制备工艺对器件基底大小的限制,为PSC规模化生产制作创造了条件。本论文首先利用溶液法制备了阴阳离子掺杂钙钛矿(5-AVA)xMA1-xPbI3-y(BF4y并应用于无空穴传输层MPSC中。通过组分优化制备出了钙钛矿(5-AVA)0.034MA0.966PbI2.95(BF40.05,显著提高了MPSC的光伏性能。研究显示通过在碘铅甲胺(MAPbI3)前驱体溶液中同时引入5-AVAI和MABF4后,可以调控钙钛矿溶液的结晶过程,提高钙钛矿的结晶质量,降低钙钛矿晶体缺陷,进而减少器件中总的复合损失;另一方面,5-AVAI和MABF4的引入在获得高效稳定器件的同时,可以改善钙钛矿晶体的电荷传输性能,减少间隔层厚度对电荷传输的影响,从而有利于载流子在MPSC中的分离和传输。同时,研究了在MAPbI3前驱体溶液中分别加入5-AVAI、5-AVACl或5-AVABr来制备混合钙钛矿,并应用到无空穴传输层的MPSC中,研究不同卤化氨基酸对器件光伏性能的影响。经过对比,三种氨基酸器件的光电转化效率(PCE)顺序为PCE(5-AVAI)<PCE(5-AVACl)<PCE(5-AVABr)。其次,在(5-AVA)xMA1-xPbI3-xClx混合钙钛矿基础上研究了MACl和MABF4取代MAI所形成的混合钙钛矿(AFC)器件的光电性能。首先,AFC双掺杂钙钛矿薄膜具有较少的缺陷和较高的结晶质量,进而延长钙钛矿体内载流子的寿命。其次,分析了(5-AVA)xMA1-xPbI3-xClx混合钙钛矿控制器件和AFC混合钙钛矿器件的电流密度-电压(J-V)响应曲线。研究发现基于AFC组分调控的混合钙钛矿器件具有较快的J-V响应速度和较小的迟滞效应。强度调制光电流谱(IMPS)测试结果表明,基于AFC混合钙钛矿器件具有较快的离子传输速度,有助于加快器件J-V测试的响应速度,减小钙钛矿器件的迟滞现象。随后,在MAPbI3前驱体溶液中引入LiCl添加剂,制备无空穴传输层印刷MPSC器件。研究表明MAPbI3前驱体溶液中加入LiCl后,改变了钙钛矿溶液的结晶过程,改善钙钛矿晶体形貌,提高了钙钛矿薄膜结晶质量;另一方面,LiCl共混钙钛矿,提高钙钛矿体内载流子浓度,同时大幅度增加了钙钛矿薄膜的导电性能。共混后的钙钛矿器件具有较高的开路电压和填充因子,从而使效率从10%提高到14.5%。最后,研究了在MAPbI3前驱体溶液中共混不同卤代离子化合物(LiCl、LiBr或LiI)后对MPSC器件光伏性能的影响。研究表明LiCl、LiBr或LiI共混钙钛矿材料都可以提高器件的光伏性能,但同时又具有差异性。与本征钙钛矿器件相比,基于LiCl或LiI共混的钙钛矿材料对器件的开路电压、短路电流及填充因子均有明显提升;而对于LiBr共混的钙钛矿器件在提高开路电压和填充因子的同时,明显降低了器件的短路电流。XRD研究结果表明对于LiBr共混的钙钛矿材料,在退火后形成了MAPbI3-xBrx相混合钙钛矿,使混合后的钙钛矿带隙增大。其次,研究发现LiCl、LiBr和LiI三种不同卤代离子化合物都可以改善钙钛矿结晶形貌,共混后钙钛矿薄膜结晶质量高低顺序为LiCl>LiI>LiBr>MAPbI3。此外,结果还表明LiCl、LiBr或LiI共混后的钙钛矿薄膜的导电性均显著提高,但以LiCl共混钙钛矿的电学性能最为优越。
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