CsPbI3钙钛矿太阳电池中吸光层的制备和性质研究

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随着经济的不断发展,能源危机和环境污染已经是影响人类生活的重要问题。在众多新能源中,太阳能被认为是一种清洁,安全的能源。因此太阳能电池成为很有应用前景的研究方向之一。钙钛矿材料因其吸收系数高、禁带宽度可调以及载流子迁移率高等优点在钙钛矿太阳电池中广泛应用。目前钙钛矿太阳电池光电转换效率(PCE)已经超过25%,可与硅基太阳电池相匹敌。钙钛矿太阳电池有希望成为理想的高效率、低成本光伏器件。近年来,无机钙钛矿太阳电池因为有希望获得比较好的热稳定性引起大家的关注。在无机钙钛矿中,具有钙钛矿结构的CsPbI3因为合适的禁带宽度在无机钙钛矿太阳电池中得到关注。钙钛矿太阳电池主要由钙钛矿吸光层、电子传输层和空穴传输层构成。其中高质量的钙钛矿吸光层一方面可以增加光吸收,另一方面有利于抑制载流子的复合,同时也可以促进电子传输层和空穴传输层对电荷的提取过程。因此,钙钛矿吸光层的质量对于整个钙钛矿太阳电池至关重要。本文以无机CsPbI3钙钛矿太阳电池中吸光层为研究对象,做了两方面的工作:1、我们分别用醋酸铅(Pb(AC)2)和碘化铅(PbI2)为铅源,同时用乙二胺碘(EDAI2)为添加剂,将EDAI2以EDAPbI4溶液形式掺入到CsPbI3前驱溶液中制备了钙钛矿结构的CsPbI3薄膜。研究发现Pb(AC)2为铅源制备的CsPbI3薄膜更致密、结晶性更高以及颗粒尺寸更大。并通过空间电荷限制电流(SCLC)表征发现,以Pb(AC)2为铅源制备的CsPbI3薄膜缺陷密度更低。我们将两种铅源制备的CsPbI3薄膜分别组装成TiO2为电子传输层/CsPbI3吸光层/Spiro-OMeTAD空穴传输层的正置器件,器件的PCE分别为10.4%(PbI2)和12.9%(Pb(AC)2)。光致发光(PL)和器件阻抗研究表明,基于Pb(AC)2为铅源制备的CsPbI3吸光层对电荷传输过程更有利,并能有效抑制电荷复合过程。这些结果表明,Pb(AC)2有希望成为制备无机钙钛矿太阳电池的另一种铅源。2、通过添加剂方法调控CsPbI3钙钛矿成分,制备出高质量的钙钛矿薄膜。以碘化胍(GuaI)为添加剂,将GuaI以GuaPbI3溶液形式掺入到CsPbI3钙钛矿前驱体溶液中。通过调控CsPbI3的晶体生长,制备出几乎无针孔、致密、高结晶度的钙钛矿结构的CsPbI3薄膜。有效的改善了CsPbI3吸光层的光吸收、电荷传输以及电荷收集过程,从而改善了CsPbI3钙钛矿太阳电池的性能。我们通过优化GuaPbI3掺入量,使基于TiO2电子传输层、CsPbI3吸光层、Spiro-OMeTAD空穴传输层的正置器件平均PCE从8.6%提高至11.1%。
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