全印刷型钙钛矿太阳能电池的两步法制备及性能优化

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自2012年全固态钙钛矿太阳能电池报道以来,经过短短的几年其光电转换效率从3.8%增长为23.7%,完全可以与商业化应用的硅电池相媲美。然而,目前大多数研究使用昂贵的空穴传输材料,采用极其耗能的真空蒸镀方式制备贵金属电极,增加了钙钛矿太阳能电池的制备成本,制约了后续大规模商业化应用。本论文利用丝网印刷技术制备无空穴传输层的碳基钙钛矿太阳能电池器件,极大地减少了制备成本。利用两步法制备FAPbI3体系钙钛矿并通过进一步掺杂第一主族阳离子和卤素阴离子来探究其对器件性能的影响,论文的主要研究内容与结果如下:(1)对比FAPbI3与MAPbI3钙钛矿的性能差异,由紫外-可见-近红外分光光度计(UV-Vis)测试表明MAPbI3和FAPbI3的禁带宽度分别为1.55 eV和1.48 eV,并且在300-800 nm波长范围内,FAPbI3具有更优的光吸收能力。因此FAPbI3钙钛矿器件获得了更高的电流,光电转换效率由7.48%提升至10.81%。采用X射线衍射分析(XRD)表征不同湿度条件下FAPbI3钙钛矿薄膜的变化情况,发现FAPbI3钙钛矿薄膜在N2环境下没有发生相变,60%相对湿度(RH)环境下容易发生相变,器件中FAPbI3钙钛矿在碳对电极层阻隔湿度的作用下可以减缓其相变。(2)在前驱体溶液中掺杂不同浓度的第一主族离子(K+、Rb+、Cs+)探究其对FAPbI3体系钙钛矿的影响。研究发现掺杂K+,Rb+和Cs+离子后均能改善FAPbI3钙钛矿的结晶,但是K+离子不能抑制相变,而Rb+和Cs+离子可以有效地抑制FAPbI3钙钛矿的相变。测试结果表明掺杂10%Cs离子后器件光电转换效率与未掺杂器件(10.81%)相比有明显提高,最优效率达到了11.71%。在分别掺杂1%K和1%Rb后器件的最优效率为10.68%,11.55%。经过湿度、温度和光照稳定性测试发现K+与Cs+离子掺杂均有助于提升器件三种测试条件下的稳定性,其中Cs+掺杂后改善作用更加明显,Rb+离子掺杂后器件在湿度环境下储存下稳定性反而变差。(3)通过在前驱体溶液中掺杂卤素阴离子Br-探究其对FAPbI3体系钙钛矿的影响。由XRD测试发现,Br-掺杂后未发现黄色相δ-FAPbI3特征峰,说明Br-离子的引入可以抑制其相变。在J-V测试中,掺杂10%Br浓度时器件具有11.53%最优的光电转换效率。但是长期储存中仍然存在些许相变。为了进一步改善器件效率和稳定性,在前驱体溶液中掺杂10%Br-Cs,通过不断优化制备工艺,制备出具有14.14%光电转换效率的器件。在长期稳定性测试中发现,10%Br-Cs未封装的器件经过120天的暗态放置后效率仍有初始效率的87.0%,封装后进行100次高低温循环测试发现器件效率仍有初始效率的102%。说明10%Br-Cs掺杂的器件具有优异的稳定性。
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