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钙钛矿太阳能电池中电荷收集层的研究

董庆顺  
【摘要】:钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells, PSCs)作为一种新型第三代太阳能电池,一出现便受到了广泛的关注。而性能优异的电荷收集层一直是电池获得高光电转换效率的重要保证。电荷收集层包括电子选择性收集层和空穴选择性收集层。目前电子收集层最常用的材料是Ti02纳米晶,但其电子迁移率相对较低,研究表明提高Ti02电子收集层的电导率可以提高电池的效率,所以选择具有更高电子迁移率的纳米晶半导体来替代Ti02很有必要,而Sn02就是一种高电导率性质稳定的半导体材料。另一方面,替换掉稳定性差的空穴传输材料(HTM)和价格昂贵的金属电极是提高电池稳定性,降低电池制作成本的有效手段,这将有利于PSCs尽快走向产业化。导电碳材料廉价、稳定、并且具有选择性收集空穴的能力,所以用碳材料来代替HTM和贵金属电极有重要的实际应用价值。本文分别从电子收集层和空穴收集层两个方面入手进行新型电荷收集层的制备并将其应用在PSCs器件中,从而深入研究电荷收集层结构特性对电池光电性能的影响机制。首先,使用溶胶-胶凝的方法制作了致密的Sn02薄膜,对其进行了SEM、XRD表征,分析发现其为晶粒较小的金红石型四方相Sn02。将Sn02薄膜作为电子选择性收集层应用于PSCs,并与传统基于Ti02电子选择性收集层的PSCs (T-PSCs)目比较,经过光电性能测试发现,基于Sn02电子选择性收集层的PSCs (S-PSCs)具有稍高的短路电流密度Jsc,但是填充因子FF和开路电压Voc均较低,最终电池的能量转换效率PCE较低,推测原因是Sn02致密层内部和SnO2/钙钛矿界面存在较严重的电荷复合。另外发现,S-PSCs有其特殊的性质,相比于T-PSCs,测试方法对S-PSCs影响较大,并对此进行了细致的研究。其次,使用导电炭黑代替有机HTM和贵金属电极。通过简单的喷涂方法将纳米炭黑制作成PSCs的阴极进行空穴收集,并探究了碳层厚度,碳层和钙钛矿层之间界面接触对电池性能的影响。也同时研究了电池后期热处理对其性能的影响,结果表明,一定条件下的热处理可以使碳基PSCs效率得到明显提升。另外,发现测试方法对电池表现出的性能有很大影响。通过各方面的优化,该类电池最高效率达到8.42%。通过与传统电池对比,碳基PSCs制作成本低,制作工艺简单,为进一步研究打下了基础。


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