基于新型空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池

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钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells,PSCs)作为一种近年来发展迅速的光伏器件,因其制备工艺简易(主要是液相沉积和气相沉积),能量转换效率(power conversion efficiency,PCE)提升迅速(2009年3.8%到2017年超过22%)以及可制成柔性器件的特点,具有广阔的应用前景。钙钛矿薄膜作为吸光层,对太阳能电池的性能影响是最大的,本文从钙钛矿材料的材料通性入手,介绍了有机卤化物杂化钙钛矿材料的晶体结构、基础特性以及离子迁移规律。随后,对本课题中制备MAPbI3薄膜所使用的反溶剂冲洗一步法(anti-solvent one-step method)工艺进行了介绍,并利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射谱(XRD)对所制备的MAPb I3薄膜的微观形貌、成分及晶面信息进行了分析,证明了该方法制备的钙钛矿薄膜具有较好的成膜质量。此外,就钙钛矿薄膜的合成工艺,本文关于乙醇溶剂退火对钙钛矿薄膜的影响进行了探究,展示了经溶剂退火处理后薄膜的SEM、XRD结果,并与未经溶剂退火的钙钛矿薄膜进行对比分析,发现经乙醇溶剂退火的薄膜具有更好的成膜质量,但其晶面结构有所改变。此外,本文介绍了钙钛矿太阳能电池的工作原理、器件结构和工作参数,并对新型空穴传输层进行了简单介绍。本课题中利用喷雾热解法制备了锂盐、镁盐掺杂的NiOx(nickel oxides)薄膜作为空穴传输层,并以此为基础成功制备出器件结构为FTO/NiOx/CH3NH3PbI3/PCBM/Ag的平面钙钛矿太阳能电池,其最佳能量转换效率达到了12.20%。通过观察,所制备的基于NiOx薄膜的钙钛矿太阳能电池在自然条件下放置一段时间后,器件性能有了明显的下降,银电极出现了腐蚀现象,这与预计的器件稳定性有差距。结合钙钛矿薄膜的退化机理以及金属顶层电极的腐蚀原理,我们对观察到的性能退化及电极腐蚀的原因进行了推测。通过设置对比实验,控制环境湿度等因素,本文利用傅里叶转换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)来分析观察到的现象,验证了文中提出的猜想,并得出湿度同时是自然条件下钙钛矿薄膜退化以及银电极腐蚀的重要原因。
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