碳基全无机钙钛矿太阳能电池的制备及光电性能研究

来源 :广东工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:nmjhurfdv
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钙钛矿材料因优异的吸光能力和高的载流子迁移速率,能带连续可调等优异的光电性能,非常有希望制备出高性能的太阳能电池。钙钛矿太阳能电池首次诞生于2009年,经过12年的发展,效率飞速攀升,认证效率从最初的3.8%提升至当前的25.5%。因有机成分存在于有机无机混合钙钛矿中,所以易受到水分、氧气、和温度的影响而发生分解,稳定性差,这也极大地阻碍了商业化应用。随后人们用稳定的无机元素Cs替换原有的有机成分,减少了因有机成分存在而引起的不稳定性,在太阳能电池方向具有很大的潜力。近几年来,全无机钙钛矿太阳能电池的探究较为深入和广泛,但与有机电池相比,其效率还远远落后,并且由于全无机钙钛矿材料自身的原因,高温时能保持钙钛矿相,室温时易转变为非钙钛矿相,限制了全无机钙钛矿太阳能电池的发展和应用。因此,针对这两个问题,本文以碳基介孔太阳能电池结构为基础,通过改变前驱体溶液中溴碘的摩尔比制备了Cs Pb I3-xBrx薄膜,探究了薄膜的带隙和稳定性的关系,并且通过添加剂法和反溶剂法提升了电池的整体性能。本文的主要研究内容如下:(1)使用一步旋涂法制备了Cs Pb I3-xBrx薄膜。通过改变前驱体中原料的Br、I比例,分别制备了Cs Pb I3、Cs Pb I2Br、Cs Pb I1.5Br1.5、Cs Pb IBr2四种薄膜,并将其组装成电池。研究发现,随着钙钛矿薄膜中溴元素含量的增加,吸收边和发射峰逐渐向短波长方向移动,薄膜的带隙逐渐增大,同时增大的还有电池的开路电压,但光电转化效率和短路电流密度均降低。未封装的薄膜在低湿度(20-40%RH)空气下稳定性随溴元素含量的增大而增强。(2)以Cs Pb I2Br、Cs Pb I1.5Br1.5两种材料为基础研究对象,采用一步旋涂法制备钙钛矿薄膜,在前驱体溶液中加入不同量的Cs Ac,探究了不同Cs Ac用量对钙钛矿薄膜的影响,并将这些薄膜组装成电池,测试了电池的光电转化性能。当研究对象是Cs Pb I1.5Br1.5钙钛矿薄膜时,在前驱体中额外加入2.5 mol%的Cs Ac可以在不改变晶体结构的前提下提高薄膜的结晶性,提高薄膜的覆盖率,钝化晶界处的缺陷,进而增大了薄膜的光吸收强度。将薄膜组装成电池器件测试了光电性能,电池的光电转化效率提高到6.9%,与对照组相比提高了27%,此时短路电流密度可以达到11 m A/cm2,开路电压为1.18 V,计算得到填充因子是53.15%。对于Cs Pb I2Br薄膜,当Cs Ac的添加量为1.25 mol%时,薄膜有最优的物理光电性能,使用此薄膜的钙钛矿太阳能电池光电转化效率可达11.28%,其中短路电流密度、开路电压和填充因子分别为14.35 m A/cm2、1.1 V和71.4%,相较于对照组,电池效率提升了12%。同时测试发现,添加了适量Cs Ac的钙钛矿太阳能电池在空气中的长期稳定性相较于未添加的均有不同程度的提高。(3)以Cs Pb I1.5Br1.5钙钛矿为研究对象,通过使用不同体积比的三氟乙酸(TFA)和异丙醇(IPA)做为反溶剂处理钙钛矿薄膜。结果发现当使用4%TFA的混合溶液作为反溶剂时,相对于对照组,钙钛矿薄膜拥有大的晶粒尺寸和高的结晶性,同时增强了对光的吸收能力,减少了薄膜中的非辐射复合位点。最终电池器件拥有7.18%的转化效率,相对于对照组效率提升超过30%,此时短路电流密度可以达到10.52 m A/cm2,开路电压和填充因子分别是1.16 V和58.83%。我们还对未封装的器件测试了长期空气稳定性,结果显示4%TFA反溶剂处理过的电池拥有更高的稳定性,在低湿度空气中存放24天后仍能保持85%的效率。
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