钙钛矿太阳能电池中P型半导体材料与表面修饰研究

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近年来,有机-无机卤化物钙钛矿太阳能电池(PSCs)受到了广泛的关注,其光电转换效率(PCE)迅速上升,从3.8%上升到22.7%。在典型的PSC材料体系中,钙钛矿吸光层通常是夹在电子传输层(ETL)和空穴传输层(HTL)之间,产生的电子和空穴分别经由N型和P型半导体界面层传输,最后被透明导电电极和金属电极收集。因此,合适的界面电荷传输层不仅可以消除金属-半导体间的肖特基(Schottky)接触,促使电子和空穴在界面处的高效分离和传输,减少反向复合,提高电池的效率;并且还有利于消除界面电荷累积和迟滞效应,乃至有利于器件的长期稳定性。本论文探索采用双官能团分子修饰P-Li0.05Mg0.15Ni0.8O空穴传输层、引入高电导率的P型氧化物半导体材料LaNiO3作为空穴传输层来提升器件性能,主要研究内容包括:(1)基于FTO/Li0.05Mg0.15Ni0.8O/5-AVA/MAPbI3/PCBM/BCP/Ag反式钙钛矿太阳能电池结构,研究5-AVA修饰的P型Li0.05Mg0.15Ni0.8O空穴传输层对器件效率和稳定性的影响。通过引入双官能团的5-AVA单分子层来修饰Li0.05Mg0.15Ni0.8O表面,不仅得到了高质量的钙钛矿薄膜,而且实现了Li0.05Mg0.15Ni0.8O/MAPbI3界面的高效空穴传输,电池的光电转换效率从18.00%提高至19.44%,短路电流密度为21.80 mA cm-2,开路电压为1.129 V,填充因子为0.79。更重要的是,5-AVA修饰后界面稳定性显著提高,使得相应电池器件的抗高偏压极化稳定性大大提高。在高偏压极化后,显示出微弱的非稳态电流和良好的J-V正反扫一致性。基于稳定界面的电池在300 h连续光照老化后,其光电转换效率在最大功率点跟踪条件下保持了初始值的90%以上。(2)针对反式平面结构钙钛矿太阳能电池中P型半导体界面材料研究较少,电导率不足等问题,发展了一种新型P型氧化物半导体界面材料—LaNiO3。基于反式电池结构FTO/LaNiO3/MAPbI3/PCBM/BCP/Ag,LaNiO3具有以下应用特点和优势:良好的导电率,为3.827×102 S cm-1,有利于降低器件的内阻损失;高光学透过率,20 nm的薄膜光吸收率仅为2%,有利于降低器件的光吸收损失;较高的价带能级-5.14 eV,与钙钛矿能级匹配,减少界面电压损失。初步结果显示以LaNiO3作为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池光电转换效率达到9.92%,短路电流密度为15.59 mA cm-2,开路电压为1.03 V,填充因子为0.62。
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