钙钛矿太阳能电池空穴传输层的优化研究

【摘要】：钙钛矿材料及电池因其结构简单,可低温制备,优良的双极性载流子性质,消光系数高且带隙合适,开路电压高,可制备柔性器件等优点吸引了众多研究者的目光。钙钛矿太阳能电池的效率从3.8%提升至20%仅仅用了5年时间,但器件的稳定性有待进一步提升。为了实现钙钛矿太阳能电池的商业应用,必须在获得高效率器件的前提下,提高器件在空气中的稳定性。本论文通过对钙钛矿太阳能电池空穴传输层的优化研究,提高了器件的能量转换效率和在空气中的稳定性,主要研究集中在以下几个方面:1、构筑了MoO3/PEDOT:PSS双层空穴传输层的钙钛矿太阳能电池。将MoO3层插入ITO导电玻璃和PEDOT:PSS之间,制备了器件结构为ITO/MoO3/PEDOT:PSS(40 nm)/CH3NH3PbI3(350 nm)/C60(40 nm)/Bphen(5nm)/Ag(100 nm)的钙钛矿太阳能电池。MoO3的引入不仅不影响PEDOT:PSS层的形貌,而且极大的提高了器件转换效率和稳定性。优化器件获得了12.78%的能量转换效率,与单层PEDOT:PSS器件相比提高了30%左右。效率的提升归因于MoO3的引入增加了器件的空穴收集效率。而且,优化器件在空气中遮光放置一段时间后器件效率提升至14.87%,这是当时倒置平面异质节钙钛矿太阳能电池最高效率之一。更重要的是,放置10天后,器件效率仅下降初始效率的7%,而此时PEDOT:PSS器件已经完全衰减为零。相关工作提供了一种可同时增加器件的能量转换效率和稳定性的方案。2、采用热蒸发工艺将钙钛矿层直接沉积在导电玻璃上,制备了高效稳定的无空穴传输层钙钛矿太阳能电池。优化器件结构为ITO/CH3NH3Pb I3-xClx(35 nm)/C60(40 nm)/Bphen(5 nm)/Al(100 nm)。所制备的钙钛矿薄膜无需退火就可获得平整致密的形貌。相关器件具有高的空穴提取效率和低的载流子复合率,相应地,器件具有高的短路电流和填充因子。虽然钙钛矿薄膜厚度只有35 nm,但是器件的最高能量转换效率达到了8.37%。相关工作提供了一种制备高效半透明钙钛矿太阳能电池的可能途径。3、设计并制备了Cu I/PbPc作为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池。采用真空沉积法制备CuI/PbPc层,溶液旋涂法制备钙钛矿薄膜,优化器件结构为ITO/Cu I(2 nm)/PbPc(20 nm)/CH3NH3PbI3(350 nm)/C60(40 nm)/Bphen(5nm)/Ag(100 nm)。使用CuI/PbPc代替PEDOT:PSS作为空穴传输层不仅可以获得和PEDOT:PSS器件相近的效率,还可极大的提高器件在潮湿环境下的稳定性。优化器件在空气中遮光放置6天后可达到9.61%的高转换效率,更重要的是,器件遮光放置21天后仍能保持最高效率的73%,而PEDOT:PSS参考器件放置6天后效率完全衰减为零。相关实验证明了采用CuI/PbPc空穴传输层可明显提高器件在周围大气环境中的稳定性。 【关键词】：钙钛矿太阳能电池 空穴传输层 稳定性
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 太阳能电池的研究背景和意义11-12
• 1.2 钙钛矿太阳能电池的发展与挑战12-15
• 1.3 本论文的主要研究工作15-17
• 第2章 钙钛矿太阳能电池基础理论知识17-31
• 2.1 钙钛矿太阳电池的工作机理17-20
• 2.2 钙钛矿的晶体结构及结构的调整20-21
• 2.3 钙钛矿太阳能电池吸收层的制备方法21-26
• 2.4 钙钛矿太阳能电池的衰减过程26-28
• 2.5 滞后现象28-31
• 第3章 基于MoO3/PEDOT:PSS空穴传输层的高效稳定钙钛矿太阳能电池31-49
• 3.1 本章前言31-34
• 3.2 实验方法34-36
• 3.3 结果与讨论36-47
• 3.4 本章小结47-49
• 第4章 热蒸发无空穴传输层钙钛矿太阳能电池49-61
• 4.1 本章前言49-50
• 4.2 实验方法50-51
• 4.3 结果与讨论51-59
• 4.4 本章小结59-61
• 第5章 CuI/PbPc作为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池61-69
• 5.1 本章引言61-63
• 5.2 实验方法63-64
• 5.3 结果与讨论64-68
• 5.4 本章小结68-69
• 第6章 结论与展望69-71
• 6.1 全文总结69-70
• 6.2 研究展望70-71
• 参考文献71-83
• 在学期间学术成果情况83-84
• 指导教师及作者简介84-85
• 致谢85

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