钙钛矿太阳能电池空穴传输层及钙钛矿层改性的研究

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在能源问题日益突出的今天,越来越多的人将目光转移到了可再生能源太阳能电池上,而钙钛矿太阳能电池因其效率发展快、价格低廉、制备工艺简单且有望代替传统的硅系太阳能电池等优势成为当前研究的热点。现在研究较为成熟的钙钛矿太阳能电池主要由吸光层、电子传输层、空穴传输层和阴阳电极组装而成。其中对空穴传输材料的研究而言,许多材料已被运用,而最常用的是一种小分子有机化合物spiro-MeOTAD;但spiro-MeOTAD并非完美,若没有添加剂其空穴传输能力很弱,因此需要添加4-叔丁基吡啶(tBP)和锂盐(Li-TFSI)等物质。锂盐的作用是一种催化氧化 spiro-MeOTAD的催化剂,因此氧化程度难以控制;为了使氧化程度可控,常用的氧化剂主要有钴盐 FK209(一种金属有机螯合物)等,这使电池的制备成本较昂贵。最重要的是常用的钙钛矿 CH3NH3PbClxI3-x性质很不稳定,在光照、水分、氧气中易分解,需要缩短电池在空气中的放置时间,因此需要寻找一种更加合适的空穴传输材料或者用有效的氧化剂氧化spiro-MeOTAD。另外钙钛矿太阳能电池的结构可以制备成 n-i-p型和p-i-n型,而n-i-p型又可以制备为介观结构和平面异质结结构两种。平面异质结结构的电池没有多孔骨架层,因此容易制备,也适用于制备柔性基底,但电池的滞后现象严重而无法得到准确可控的性能;介观结构可以减小滞后现象,但多孔层的制备往往需要高温烧结,不适用于柔性基底,也加大了电池的制备成本。因此本论文通过用无机金属氧化剂氧化spiro-MeOTAD和优化平面异质结结构钙钛矿太阳能电池的制备工艺,以提高电池的综合性能,其研究结果如下:  1、用紫外-可见光谱的测试表明廉价的无机金属氧化剂碘化亚铜(CuI)可以有效地氧化钙钛矿太阳能电池中的空穴传输材料spiro-MeOTAD,并且提高了spiro-MeOTAD的空穴传输性能;通过对比锂盐(Li-TFSI)、钴盐(FK209)、CuI氧化spiro-MeOTAD后能级改变的情况,确定用CuI氧化后的空穴传输层的能级与钙钛矿层的能级更为匹配,更有利于电池性能的提高。实验结果表明当CuI的添加浓度为20%(与spiro-MeOTAD的摩尔浓度比)时,所制备的电池的光电转化效率最佳。用CuI氧化spiro-MeOTAD也为寻找spiro-MeOTAD的廉价氧化物提供了一种新思路。  2、在平面异质结结构钙钛矿太阳能电池中,通过 TiO2纳米颗粒添加至CH3NH3PbI3/DMF前驱液中,可以在低温条件下构建骨架支撑结构。通过实验验证了在钙钛矿晶体中加入 TiO2纳米颗粒可以改善钙钛矿膜的成膜,增加钙钛矿晶体的尺寸。由于 TiO2纳米颗粒可以成为光捕获中心,增强器件对太阳光的利用率,从而提高电池的短路电流。TiO2纳米颗粒本身就可以传导电子,可以将钙钛矿晶体中可的电子及时传出,减小电池的回滞,并且获得了最高12.96%的光电转化效率(Voc=0.99V, Jsc=22.9mA/cm2, FF=0.562)。直接将TiO2纳米颗粒添加至钙钛矿前驱液中,用这种方法构建骨架支撑结构可以降低电池的制备成本,也为在柔性钙钛矿太阳能电池中引入多孔层提供了一种可能。
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