CsPbBr3无机钙钛矿太阳能电池的制备工艺优化及性能研究

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效率和稳定性是太阳能电池的两个重要性能指标。近年来,新型有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的效率不断提升,已达到许多商业化太阳能电池的水平,但要实现产业化还需提升电池的稳定性。用稳定的无机钙钛矿取代不稳定的有机-无机杂化钙钛矿有望解决当前钙钛矿电池面临的稳定性问题。CsPbBr3无机钙钛矿因稳定性好,可在大气环境下制备,引起了研究者们的关注,但目前报道的电池效率较低。一方面是由于CsPbBr3的带隙较宽,电池的吸光范围较窄。另一方面,CsPbBr3吸光层的成膜质量和形貌控制也会很大程度影响电池的光电性能。为此,本文以提高CsPbBr3无机钙钛矿电池效率为目标,首先开展CsPbBr3吸光层的成膜工艺优化研究,并在此基础上建立电池制备技术。然后重点开展溶剂工程、界面修饰、异质结光谱工程研究,为进一步提高电池效率提供新策略。论文的主要研究内容和研究结果如下:(1)CsPbBr3无机钙钛矿电池制备工艺研究。采用改进的多步法,通过控制CsBr溶液旋涂次数、PbBr2退火温度等关键工艺参数,在相对湿度低于30%的空气中,成功制备高质量CsPbBr3薄膜。基于多步法建立了CsPbBr3钙钛矿电池制备技术,所制备的电池最高效率达7.54%。(2)前驱液中溶剂添加剂对电池性能的影响及溶剂添加剂的作用机理研究。详细研究了PbBr2(DMF)前驱液中N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)和乙腈(ACN)添加剂分子对钙钛矿薄膜质量的影响。根据粒径分析和红外光谱分析结果,结合路易斯酸碱理论,探讨了溶剂添加剂分子与PbBr2之间的作用机理。通过添加NMP和ACN,电池效率分别提高至9.53%和9.22%。(3)界面修饰和光活化层对电池性能影响的研究。通过引入石墨烯量子点(GQDs)对TiO2/CsPbBr3电子传输界面进行修饰,提高了电子提取速率,将电池效率提高至9.18%。通过引入P3HT/PbS QDs异质结光活化层,将CsPbBr3钙钛矿电池的吸收光谱拓宽至近红外,电池效率提高至9.11%。
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