基于低温金属氧化物电子传输层的钙钛矿太阳能电池制备及其性能研究

来源 :太原理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:magy_java2009
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由于有机-无机杂化钙钛矿材料优良的光学和电学特性,钙钛矿太阳能电池自2009年出现以来发展迅速。基于可低温制备金属氧化物(TiO2、ZnO和SnO2等)电子传输层(ETL)的钙钛矿太阳能电池因具有可降低制造成本和易于实现柔性器件的可能和优势,逐渐受到广大研究者的关注。本论文主要对低温电子传输层进行研究,主要研究内容和结果如下:(1)针对基于ZnO ETLs的钙钛矿太阳能电池稳定性差这一问题,发展了一种简单而有效的方法来提高其稳定性,即利用可低温处理的TiO2覆盖Zn O纳米粒子(NPs)层或ZnO溶胶-凝胶(sol-gel)层形成ZnO/TiO2双层薄膜,并用作MAPbI3钙钛矿太阳能电池的ETLs。结果表明,与ZnO单层ETLs相比,这些ZnO/TiO2双层ETLs不仅能够改善钙钛矿薄膜的稳定性,而且能够提高器件的光伏性能。基于Zn O/TiO2双层ETL的器件最高实现了15%的效率,并且在空气中保存30天后也可保持近100%的初始效率,在器件性能和稳定性上明显优于基于ZnO单层ETLs的器件。此外,本工作也发现在ZnO sol-gel ETL上制备的钙钛矿薄膜在稳定性和器件性能方面远优于在Zn O NP-ETL上制备的钙钛矿薄膜,这可以归因于ZnO sol-gel薄膜表面有较少的羟基和更光滑的形貌。(2)在TiO2、ZnO、SnO2三种低温电子传输层上,利用相同的钙钛矿薄膜沉积方法制备了钙钛矿太阳能电池,直接比较了基于三种低温电子传输层电池的性能优劣,得出了SnO2是三者中最优的低温电子传输材料的结论,并从薄膜形貌、光学和电学性质等方面分析了造成性能差异的可能原因。这是由于:相较于ZnO、TiO2电子传输层,SnO2电子传输层具有更深的导带底和较高的电导率,有助于光生电子的注入与传输;而且沉积在SnO2上的钙钛矿薄膜光吸收能力最强且晶粒尺寸较大,SnO2基电池具有最低的串联电阻和最高的并联电阻,从而使其具有最高的Jsc、FF和PCE。此外,所制备的低温SnO2基钙钛矿太阳能电池与ZnO/TiO2基以及常规高温TiO2基钙钛矿电池相比,其具有相近或者更高的能量转化效率,当以(FAPbI30.97(MAPbBr30.03为光吸收层,制备出效率达到15.80%且几乎无回滞的SnO2基钙钛矿太阳能电池,表明SnO2是一种非常有潜力的低温金属氧化物电子传输材料,同时发现电池的回滞现象既和电子传输层有关,也和钙钛矿层有关。
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