钙钛矿太阳能电池的电子传输层及界面修饰研究

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新型钙钛矿材料具有优异的光伏特性,如高的光吸收系数,优异的双极性电荷传输,大的载流子扩散长度以及高的陷阱态的耐受性,因此基于新型钙钛矿材料的太阳能电池(PSC)近年来得到迅猛的发展。然而,钙钛矿电池要走向大规模商业化应用,仍有不少问题需要解决,例如:钙钛矿材料的稳定性差;作为电子传输层的Ti O2薄膜需高温制备,电子迁移率低,难以在柔性器件上应用;伏安特性(J-V)滞后较严重等。针对上述问题,本文在Ti O2电子传输层的修饰改性,新型电子传输层的探索以及全无机钙钛矿的制备等方面进行了详细研究。1.在Ti O2表面上引入宽带隙的Ca Ti O3化合物作为界面修饰层,能有效抑制钙钛矿/Ti O2界面的电荷复合,可以提高电池效率并改善电池稳定性。极薄的Ca Ti O3修饰层不会对光的透射产生明显影响,不会导致钙钛矿光收集能力的损失。修饰后的电子传输层具有更好的能级匹配,有助于载流子传输,提高光生电荷载流子的分离;另一方面,界面修饰层的引入可以在电子传输层(ETL)/钙钛矿界面处有效地抑制光生电子-空穴对的复合,改善器件性能。对比研究发现,采用浓度为3m M的Ca(NO3)2溶液制备得到的Ca Ti O3修饰的电池器件具有最佳的光伏性能,短路电流Jsc为23.08m A/cm~2,开路电压Voc为1.09 V,填充因子FF值为0.76,最终获得光电转换效率达19.12%,并且具有很低的的迟滞现象。2.无机钙钛矿(Cs Pb X3)比有机无机杂化钙钛矿具有更好的热稳定性,当前无机钙钛矿太阳能电池的电子传输层大都使用Ti O2薄膜。考虑到Ti O2电子传输层的电荷迁移率低,而且Ti O2在紫外线下会发生光催化降低电池稳定性,因此本文首次以Zn Se作为Cs Pb Br3无机钙钛矿电池的电子传输层,采用室温真空两步沉积法成功在Zn Se电子传输层上制备出高质量的钙钛矿薄膜,在此基础上组装获得了优异稳定性的无机钙钛矿太阳能电池。研究表明,Zn Se电子传输层厚度为90nm,Pb Br2、Cs Br厚度为200nm时制备得到的无机钙钛矿太阳能电池具有最佳的光伏性能:短路电流Jsc为8.03 m A/cm~2,开路电压Voc为1.45 V,填充因子FF值为0.72,最终获得光电转换效率达8.38%。并且电池呈现出良好的可重复性,迟滞现象可以忽略。
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