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改善钙钛矿薄膜形貌及优化空穴传输层对钙钛矿太阳能电池性能的影响

袁彬彬  
【摘要】:钙钛矿形貌以及空穴传输层的特性是影响钙钛矿太阳能电池光电转换性能的两个重要因素。本论文利用乙酸和氯苯的混合溶剂蒸气改善了钙钛矿薄膜表面形貌,采用DMSO处理PEDOT:PSS优化空穴传输层的电导率和光透过率,研究了对钙钛矿电池性能的影响及机理。其主要工作如下:第一,为了增大钙钛矿薄膜的晶粒尺寸,提高其结晶性以及减少钙钛矿薄膜内的缺陷,进一步改善钙钛矿电池器件的性能。首先把摩尔比为1:1的PbI2和CH3NH3I的前驱体溶液旋涂成膜后进行热退火,实现晶粒的生长。而后引入乙酸与氯苯(HAc/CB)的混合溶剂蒸汽对所制备的钙钛矿薄膜进行处理,进一步改善了薄膜的形貌和结晶,实验结果表明,处理后的钙钛矿晶粒尺寸由130nm增大到160nm,荧光寿命从93.12ns增长到118.25ns,薄膜内缺陷态密度从2.74×1015cm-3减少到2.48×1015cm-3。晶粒尺寸增大会降低薄膜内的晶界,降低因晶界引起的缺陷,减少非辐射复合,提升载流子的寿命和薄膜对光的吸收。利用氯苯和乙酸的混合溶剂处理MAPbI3层能够有效改善电池器件的光电特性,通过乙酸和氯苯混合溶剂蒸气处理的器件在光强100mW/cm2的标准AM1.5G光谱下获得了最高的13.15%的转换效率,相比于基础器件11.44%的光电转换效率提升了 14.9%。第二,空穴传输层是影响空穴是否能快速被电极收集,减少器件电荷复合的重要因素。论文中引入二甲基亚砜(DMSO)处理PEDOT:PSS的方式能够提升PEDOT:PSS的光透过率和电导率,并应用于钙钛矿电池器件。结果表明,DMSO处理不仅提高了 PEDOT:PSS的电导率也增加了其光透过率:(1)电导率从2.43×10-3提高到3.65×10-3mS/cm;(2)降低空穴传输层薄膜厚度,改善了空穴传输层的光透过率,增加了钙钛矿层对光的吸收。DMSO处理PEDOT:PSS后,电池器件的短路电流从13.40mAcm-2增加到19.41mAcm-2,光电功率转换效率从10.23%提高到12.19%。这些研究工作对通过溶剂蒸气处理钙钛矿薄膜以及溶剂处理PEDOT:PSS方面提升钙钛矿电池的性能提供了新的思路,为高效平面异质结钙钛矿电池器件能在未来的普遍应用,提供了巨大的发展潜力和有效的方法。


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