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《天津理工大学》 2018年
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CH_3NH_3PbI_3钙钛矿电池的制备与电荷传输机制研究

宗雪平  
【摘要】:钙钛矿太阳能电池发展迅速,目前实验室验证效率已经达到22.1%。优化钙钛矿电池内部关键材料和界面特性,对提高电池的光伏性能具有重要作用,一直是钙钛矿电池的研究热点。本论文通过优化钙钛矿形貌、引入新型有机空穴传输材料、使用还原氧化石墨烯进行界面修饰等方法,控制钙钛矿电池内部各界面间的载流子动力学行为,增强电池的光伏性能,提高器件的稳定性。(1)选用甲胺铅碘(MAPbI_3)作为钙钛矿前驱体,通过“一步旋涂法”在Ti O_2基底表面沉积几微米长的中空纳米管状钙钛矿,利用氯苯作为反溶剂制备平面钙钛矿,研究钙钛矿形貌对电池性能的研究。XRD结果证明两种钙钛矿均为四方体晶体结构。SEM图显示空穴传输材料spiro-OMeTAD充分包覆钙钛矿纳米管,增大了spiro-OMeTAD和钙钛矿的接触面积,降低了电荷复合速率,提高了钙钛矿电池的电荷收集效率20倍。所制备的管状钙钛矿电池的开路电压达到841 mV,比平面钙钛矿电池高42 mV,填充因子明显增加,基于碳对电极的钙钛矿电池的光电转化效率达到7.4%。(2)通过改变预设偏压、“光浸”时间和照射光强等条件,分别测定了钙钛矿电池的瞬态电流衰减曲线,以及J-V特征阶跃曲线。利用标度率衰减函数拟合测试结果,对电流滞后效应进行分析,结果表明:光生电流的滞后效应由离子迁移效应导致,暗态条件下的电流滞后效应主要由电容效应控制。此外,通过控制钙钛矿前驱液浓度和旋涂速度来改变钙钛矿层厚度,研究了钙钛矿薄膜厚度与电流滞后效应的关系,结果表明降低钙钛矿膜厚,可以削弱电流滞后效应。(3)设计合成四种新型有机空穴传输分子,研究了分子结构、辅剂用量对钙钛矿电池性能的影响。Q216和Q219是以咔唑-二苯胺为端位基团,以联二萘胺为母核的同分异构体,双(4-甲氧基苯基)胺基团(DMPA)分别连接在咔唑的“2”位(2-DMPA)和“3”位(3-DMPA)。Q219的电导率和空穴迁移率高于Q216,与spiro-OMeTAD相当;阻抗测试结果证明,咔唑-二苯胺的“3-BMPA”结构有利于降低电池的电荷复合速率。以Q219制备的钙钛矿电池的开路电压比Q216要高99 mV,达到949 m V,光电转化效率为9.31%,与spiro-OMeTAD相当(10.01%)。以“3-DMPA”的咔唑-二苯胺为供电基团,以联二萘酚为母核,在母核中分别引入苄基和己基侧链,设计合成空穴传输材料Q221和Q222。发现母核侧链采用刚性较大的苄基时,空穴传输分子的电导率高于spiro-OMeTAD。当空穴传输材料中的辅剂Li-TFSI和TBP浓度减少50%,即采用15mM Li-TFSI和100mM TBP,基于Q221的电池光电转化效率为10.37%,高于spiro-OMe TAD(8.84%)。未封装电池器件置于28℃、RH35%的暗态环境下老化192h,电池的稳定性强弱顺序为Q221spiro-OMeTADQ222,与空穴传输材料的疏水性一致。研究结果表明,以联二萘酚为母核的空穴传输材料可以减少辅剂用量,引入刚性较大的侧链可以提高空穴传输材料的疏水性,这两种作用可以有效提高电池器件的稳定性。(4)研究了还原氧化石墨烯对钙钛矿电池光伏性能和稳定性的影响。将还原氧化石墨烯掺杂在TiO_2浆料中,旋涂法制备掺杂还原氧化石墨烯的TiO_2介孔层。电池在正扫条件下,光电转化效率PCE由13.76%提高到16.13%;反扫条件下,PCE由15.78%提高到17.51%。正扫和反扫PCE之差由2.02%降低到1.38%,说明电流滞后效应被一定程度地削弱。另一方面,将还原氧化石墨烯添加在空穴传输材料spiro-OMeTAD和Au电极之间,制备封装的钙钛矿电池,置于25℃、相对湿度RH 40%的环境中,在持续光照最大功率点连续追踪1400h。当器件光电转化效率衰减到50%时,衰减时间由100h延长到540h,器件的光稳定性提高了2倍。
【学位授予单位】:天津理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TM914.4

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