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《中国科学院大学(中国科学院物理研究所)》 2018年
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高效钙钛矿太阳能电池的制备与稳定性研究

张慧银  
【摘要】:新型薄膜钙钛矿太阳能电池因其优异的光电性能、简单的器件制备工艺以及快速发展的能量转化效率成为新一代光伏器件中具有很大发展潜力以及应用前景的佼佼者。钙钛矿太阳能电池主要由透明导电基底、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层以及对电极组成,其中钙钛矿吸收层的薄膜质量和电子传输层的导电能力直接影响电池的光电效率。随着电池效率的不断提高,器件稳定性逐渐成为影响钙钛矿太阳能电池进一步发展和商业化的关键问题。本论文的工作围绕提高钙钛矿太阳能电池的效率以及稳定性展开,主要涉及高质量钙钛矿薄膜的制备、电子传输层导电性能的改善、钙钛矿薄膜表-界面工程以及高效稳定碳基钙钛矿电池的构建等。取得了以下成果:(1)发展了一种制备高质量多成分钙钛矿薄膜的方法:多步扩散法。此方法可以有效地控制前驱液的成分和比例,调控钙钛矿薄膜的结晶过程和最终形貌,从而获得平滑致密的高质量钙钛矿薄膜。将其应用于平面结构的钙钛矿电池中,获得了16.5%的高效率以及16.3%的稳态输出效率。该工作提供了一种有效制备多成分高质量钙钛矿薄膜的方法。(2)镁(Mg)掺杂改性二氧化钛(TiO_2)电子传输层。微量Mg元素的引入使TiO_2电子传输层的费米能级上移、导电性增强,表面缺陷态减少。相应地,Mg掺杂之后,平面钙钛矿电池的串联电阻减小、电子传输速度变快,高偏压下的电荷收集效率提高。最终在平面电池中获得了较高的填充因子和超过19%的效率,是当时平面结构钙钛矿电池的最高效率之一。(3)表-界面工程提高钙钛矿薄膜及器件的稳定性。在一步反溶剂法沉积钙钛矿薄膜的过程中,引入聚苯乙烯(PS),使其覆盖在多晶钙钛矿薄膜表面并填充晶界,形成包覆单晶粒的保护层。一方面,PS包覆层能够有效抑制高温下钙钛矿薄膜中有机成分的挥发和相分离,保持薄膜成分和相的稳定性;另一方面,PS包覆层能够有效阻挡水分对钙钛矿薄膜的腐蚀,提高薄膜的湿度稳定性和自修复能力;而且,PS辅助沉积的钙钛矿薄膜具有更少的缺陷态。最终在平面电池中获得了20.2%的高效率和19.3%的稳态输出效率;暗态下在空气中放置30天后,电池仍能保持初始效率的90%以上,展现了优异的器件稳定性。(4)制备了一种性能优异的自粘性多孔碳对电极并成功应用于钙钛矿太阳能电池。该多孔碳对电极具有良好的柔韧性、可压缩性以及粘附性。压力转移后,该碳对电极能够与空穴传输层形成优异的界面接触,促进界面电荷抽取,解决了长期以来碳基钙钛矿电池中存在的界面接触问题,最终获得了超过19%的高效率,为目前碳基钙钛矿太阳能电池的最高效率。同时该碳对电极具有优异的抗离子腐蚀能力和疏水性,不会与钙钛矿层发生相互腐蚀衰减,暗态下在空气中放置1000小时后,电池仍能保持其最初效率的95%以上。而且良好的柔韧性使其在柔性器件和卷对卷大面积制备方面展现了很大的应用潜力。该工作为低成本、高效率、高稳定性以及大面积钙钛矿电池的实现提供了一条可靠的途径。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TM914.4

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