外场调控下钙钛矿太阳能电池活性层的结构与特性

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新兴的薄膜太阳能电池——有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池,它具有可调控的带隙、较高的吸光系数、长的载流子传输距离、髙的载流子迁移率、可传输空穴和电子等优点。在2009年效率仅有3.8%发展到2016年钙钛矿太阳能电池的效率己经达到了22.1%。形貌控制是影响杂化钙钛矿太阳能电池光电转换效率及稳定性的关键因素之一,目前的研究主要集中在活性层材料制备和微结构优化。  本论文首先综述了太阳电池材料发展简史、基本结构、形貌控制、性能表征。采用摩尔比为1:1的CH3NH3I和PbI2溶液,通过一步旋涂法制备了钙钛矿太阳能电池光活性层。研究了不同转速、时间、不同配比的前驱液、不同加热温度及退火工艺对器件性能的影响。基于自开发超声应力及温度场装置调控下,研究了活性层薄膜在驻波超声应力及温度调控下的生长,并采用SEM、XRD和介电谱对其微观结构和电性能进行研究。实验结果发现,超声应力和温度处理后,薄膜更加均匀,结构更加致密,覆盖率更高、晶界更为平滑,晶粒尺度均匀,~150 nm;在未加外场调控的样品中,-20℃到50℃范围内发现了介电弛豫现象,Arrhenius激活能为375±21meV,归因为薄膜中光生载流子迁移中陷阱捕获行为。施加外场调控后,由于驻波超声应力及温度作用,使得活性层缺陷密度大大降低,载流子传输不易被捕获, 有利于载流子传输,从而介电弛豫消失。  本文的研究结果可为薄膜结构与形貌优化,载流子传输效率提高,光活性层光电特性改善,提供实验依据。
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