电子传输层的低温制备与高效CsPbIBr2钙钛矿太阳能电池的研究

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近年来,钙钛矿太阳能电池因其迅速提高的光电转化效率受到广泛关注。有机-无机杂化钙钛矿材料吸光层具有高的吸光系数(105)、长的载流子扩散长度(1000 nm)、低的激子束缚能(22 meV)及合适的带隙(1.55 eV)等优异光电性质与可溶液低温制备的优势,其构建的太阳电池光伏效率已达24.2%,接近高成本的硅电池水平。然而,有机阳离子的存在导致电池热稳定性差。2015年以来,借助于碱金属阳离子替换可实现高热稳定性的无机钙钛矿材料CsPbX3(X=Br,I)。但是,CsPbBr3的制备温度过高(>250℃)、方法复杂且带隙相对较大(Eg=2.3 eV)等问题严重阻碍了器件效率的提高;虽然黑色钙钛矿相的CsPbI3具有较低的带隙(Eg=1.73 eV)与较高的效率,但其相转变温度高达310℃且常温会转变为黄色非钙钛矿;近期,报道的混卤CsPbI3-XBrX(X=1,2)钙钛矿材料中,CsPbI2Br具有较低的带隙(Eg=1.92 eV),但其在高温高湿条件下不稳定;而CsPbIBr2具有460℃的高温稳定性、带隙合适(Eg=2.08 eV)与较低的相转变温度,从而受到广泛关注。然而,当前CsPbIBr2太阳电池大多数采用TiO2作为电子传输层,但是TiO2需450℃以上高温烧结,并且存在电子迁移率低与较多氧空位缺陷等问题。针对于上述问题,本文以低温制备高效率无机CsPbIBr2钙钛矿太阳电池为研究目标,开展了电子传输层材料的低温制备及CsPbIBr2钙钛矿太阳电池性能提升的研究,主要的研究内容与成果如下:(1)In2S3薄膜的制备及性能表征。采用低温(70℃)化学浴沉积法在FTO基底上制备In2S3薄膜,发现55、70、85及100分钟水浴时间制备的In2S3薄膜质量与光电性质明显不同,其中85分钟制备的薄膜具有较佳的表面形貌、致密性、透光率、表面粗糙度及水接触角等优异性质。(2)In2S3薄膜作为电子传输层的CsPbIBr2钙钛矿太阳电池研究。将不同水浴时间制备得到的In2S3薄膜作为电子传输层,构建器件结构为FTO/In2S3/CsPbIBr2/sprio-OMeTAD/Ag的无机太阳电池,随着水浴时间的不同,光电转换效率发生变化。当水浴时间为85分钟时,获得的电池效率最高,达到5.59%。通过对比实验发现,与TiO2作为电子传输层的相同电池结构相比,In2S3薄膜为电子传输层的电池在器件效率、稳定性方面分别提高了10%与87.5%。此外,深入研究了这两种电子传输层材料性能与电池效率提升之间的关系。(3)SnO2薄膜作为电子传输层的CsPbIBr2钙钛矿太阳电池研究。使用一步旋涂法制备得到透光率高、形貌致密且粗糙度低的SnO2电子传输层。采用高低转数互补的旋涂工艺及梯度退火方法制备获得结晶性好、晶粒尺寸大且表面光滑平整的CsPbIBr2钙钛矿薄膜,并构建了器件结构为ITO/SnO2/CsPbIBr2/sprio-OMeTAD/Ag的无机太阳电池,反扫与正扫光伏效率分别高达8.38%与5.68%。此外,效率统计值表明该电池制备工艺具有较好的重复性。本研究为低温制备电子传输层及高效率无机CsPbIBr2钙钛矿太阳电池提供一种新的思路,并对该类材料的柔性器件的制备具有一定的指导意义。
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