【摘 要】
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2009年,钙钛矿材料被应用到了电池领域并取得了一定的光电转化效率后,致使众多研究者致力于钙钛矿太阳能电池的研究。钙钛矿太阳能电池经历了十多年的发展,其光电转化效率取得了质的飞跃,已经达到了25.2%。目前钙钛矿太阳电池应用最广的制备方法是旋涂法,但是旋涂法不利于钙钛矿薄膜大面积旋涂均匀,从而影响大面积电池的效率。而且钙钛矿太阳能电池光电转换效率也需要进一步继续提高。为了解决稳定性和效率存在的问题
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2009年,钙钛矿材料被应用到了电池领域并取得了一定的光电转化效率后,致使众多研究者致力于钙钛矿太阳能电池的研究。钙钛矿太阳能电池经历了十多年的发展,其光电转化效率取得了质的飞跃,已经达到了25.2%。目前钙钛矿太阳电池应用最广的制备方法是旋涂法,但是旋涂法不利于钙钛矿薄膜大面积旋涂均匀,从而影响大面积电池的效率。而且钙钛矿太阳能电池光电转换效率也需要进一步继续提高。为了解决稳定性和效率存在的问题,减少薄膜缺陷,制备更高质量的钙钛矿薄膜,提高电荷传输性能,是值得深入研究的课题。因此,本论文正是基于这些问题进行了实验方面的探索研究。包括两个主要内容。第一,使用等离子体方法处理空穴传输层薄膜,在空穴传输层表面形成沟壑和斑点,为次一层的有机卤化铅钙钛矿薄膜的形成准备有序的基底,进而制备高秩序度吸光层薄膜。其次,为了解决有机卤化铅钙钛矿薄膜高温下易分解的缺点,制备了全无机钙钛矿太阳能电池,在无机钙钛矿薄膜中掺入InI3,最终使得In3+能够部分取代Pb2+,优化了薄膜质量,促进器件电荷的提取和传输,进一步提升钙钛矿太阳能电池的光电性能。具体研究内容如下:(1)在倒置结构钙钛矿太阳能电池中,聚(3,4-乙撑二氧噻吩)(PEDOT)和聚(苯乙烯磺酸盐)(PSS)是传统的空穴传输材料。为了制备较好结晶的吸光层薄膜,使用氩等离子体对空穴传输层进行轰击和冲刷处理,以得到具有沟槽形貌的基底。实验中,分别将PEDOT:PSS薄膜平行放置和竖直放置进行等离子体处理。基板竖直放置时,离子簇冲刷PEDOT:PSS表面。水平放置时,基板受到离子簇直接轰炸。通过实验,得到了理想的等离子产生功率和处理时间(1800 J)。实验结果表明,竖直放置时,器件的最大光电转换效率(PCE)达到14.8%,而水平放置时器件的最大光电转换效率为13.31%。作为对比器件,未处理的空穴传输层,光电转化效率仅有12.0%。从物理机理来看,竖直处理和水平处理均可以增加表面自由能和粗糙度,从而导致钙钛矿薄膜具有合适的亲水性和较大的晶粒尺寸。另一方面,等离子体处理可以改变PEDOT和PSS的比例,所以,还得到了处理膜的电导率的增加的效果。最后,由于竖直处理可以使PEDOT:PSS表面上具有沟壑效应,使得钙钛矿薄膜容易形成有序的结晶,同时也得到了少针孔的优质薄膜。作为结论,竖直放置处理的电池效率要高于平行放置处理的和未进行处理的。(2)在制备全无机钙钛矿太阳能电池时,将InI3掺杂到无机钙钛矿前驱体溶液中,研究了不同比例的InI3掺杂对CsPbI3形成薄膜的影响。结果表明,InI3的掺入可以延缓结晶进程并控制CsPbI3多晶膜的生长速率,从而得到了具有大晶粒和少空隙的高质量薄膜。同时,静电势的增加和载流子复合的减少使得得到的钙钛矿太阳能器件的开路电压从0.89 V增加至0.99V。最优的掺杂器件获得了17.09%的光电转换效率,远高于未掺杂器件14.36%的光电转换效率。同时,器件也表现出较好的寿命和稳定性。在没有任何封装、N2条件下以及在室温情况下老化860小时后,仍保持其初始效率的77%。
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