可印刷介观钙钛矿太阳能电池钙钛矿与碳电极界面改性研究

来源 :华中科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wenjuanliu_b06213
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有机-无机杂化金属卤化物钙钛矿材料具有优异的光电性能以及可溶液法制备的特点,被广泛应用于太阳能电池的研究,目前钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells,PSCs)实验室光电转换效率已达到25.7%。PSCs可基于不同的器件结构制备,其中,可印刷介观钙钛矿太阳能电池(Printable mesoscopic PSCs,p-MPSCs)基于独特的二氧化钛/二氧化锆/碳电极(Ti O2/Zr O2/Carbon)三层介孔膜结构,无需使用空穴传输材料,因此具有更低的材料成本,受到科研人员及产业界的的广泛关注。然而,与传统结构PSCs相比,p-MPSCs钙钛矿与碳电极所形成界面处的空穴收集效率相对较低,电荷复合反应严重,因而器件开路电压及光电转换效率相对较低。本论文围绕p-MPSCs器件的制备以及钙钛矿/碳电极的界面改性开展研究,通过组分调控与添加剂工程来优化钙钛矿在介孔结构中的填充与结晶,然后对器件中钙钛矿/碳电极界面进行处理,形成更优的能级排列来抑制钙钛矿与碳电极界面处复合反应,有效提升了所制备p-MPSCs的开路电压及光电转换效率。主要研究内容及创新点包括:(1)分别基于碘铅甲胺(MAPb I3)与碘铅甲脒(FAPb I3)钙钛矿制备p-MPSCs对照组器件。其中,选用MAPb I3作为钙钛矿组分,5-氨基戊酸氢碘酸盐(5-AVAI)作为添加剂,制备的p-MPSCs器件开路电压达到910 m V,光电转换效率达到了14.11%;选用Cs0.05FA0.95Pb I3作为钙钛矿组分,甲基氯化胺(MACl)作为添加剂,制备的p-MPSCs器件开路电压达到985 m V,光电转换效率达到了16.89%。(2)采用空穴传输材料聚3-己基噻吩-2,5-二基(P3HT)处理基于MAPb I3对照组器件的钙钛矿/碳电极界面,分别采用滴涂法与浸泡法两种处理方式。经P3HT处理的p-MPSCs器件性能并未获得提升。需要注意的是,P3HT处理在高浓度条件下,以及长时间浸泡条件下,均会导致器件的开路电压与填充因子的下降;这可能是由于P3HT难以渗透进钙钛矿/碳电极界面,过多P3HT在碳电极表层的积累会导致碳电极微观结构发生变化,影响其对钙钛矿材料中电荷的收集。(3)采用2,3,5,6-四氟-7,7’,8,8’-四氰二甲基对苯醌(F4TCNQ)处理基于Cs0.05FA0.95Pb I3对照组器件的钙钛矿/碳电极界面。飞行时间二次离子质谱测试(TOF-SIMS)表明F4TCNQ可以在器件表层有效渗透,并主要存在于器件的碳电极层;通过开尔文探针测试、紫外光电子能谱(UPS)以及紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)测试,F4TCNQ处理可以使得钙钛矿和碳电极之间形成更加匹配的能带结构,促进碳电极对钙钛矿层中的空穴的收集。基于F4TCNQ界面处理的p-MPSCs器件开路电压由1005 m V提升至1044 m V,光电转换效率由16.61%提升至18.05%。
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