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高效电子传输层的制备及其在钙钛矿太阳能电池中的应用

王永玲  
【摘要】:钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其光电转化效率高,制备成本低廉,受到了全世界科研工作者的广泛关注。在PSCs的各个组成部分中,电子传输层用以传输电子和阻挡空穴,对提升电池效率和缓解磁滞现象具有重要作用。目前研究最多,电池效率最好的一类电子传输层材料是TiO2。其中,锐钛矿相TiO2(A-TiO2)是目前高效率电池普遍采用的电子传输层材料,但它仍然存在提升空间。例如较低的电子迁移率,导致电子传输层和钙钛矿界面处的电子堆积,降低电池效率的同时,也造成磁滞现象。因此,人们尝试了多种手段来改善A-TiO2电子传输层的性能。金红石相TiO2(R-TiO2)具有较高的电子迁移率,与钙钛矿更优的晶格匹配度。但R-TiO2却鲜有作为电子传输层用于钙钛矿太阳能电池。另一方面,具有光散射作用的中空球材料也极少用于多孔层研究。综上,针对两方面问题,本文一方面设计制备了金红石相TiO2电子传输层,系统研究了制备工艺条件对电子传输层质量和电池性能的影响,研究了锐钛矿和金红石相TiO2电子传输层性能的差异。另一方面,制备TiO2中空球的多孔层,系统研究了中空球结构对PSCs的光电性能影响。主要研究结果如下:1.采用制备简便,成本低廉的制备方法,成功制备了金红石相TiO2。通过调控沉积时间和烧结温度,调控TiO2的结晶性和表面缺陷态等。经过制备工艺的优化,500℃烧结温度为500℃时获得的R-TiO2电子传输层表现出最强的电子分离能力,实现将光生电子由钙钛矿层快速传输到FTO(F掺杂的氧化锡)层,获得了最高效率为20.8%的PSC。2.相较于A-TiO2,R-TiO2具有与MAPbI3更佳的晶格匹配度,和与钙钛矿前驱体溶液更好的浸润性。R-TiO2的电子迁移率也更高,捕获态密度更低。在IMPS和IMVS测试中,R-TiO2电子传输层的电池的电子寿命更长,激子扩散速率更快。R-TiO2组装的电池获得了更优异的光电转换性能,同时缓解了磁滞效应。3.利用葡萄糖的水热缩合反应,制备了300 nm、400 nm和800 nm的碳球。分别以它们作为模板,制备了50 nm、100 nm和200 nm的TiO2中空球(TiO2 HS)。通过TEM、SEM表征手段发现这些中空球只有薄薄的一层外壳层,其上均匀分布着微孔。XRD图谱显示,中空球均为纯锐钛矿相TiO2。随着中空球尺寸的减小,电池光电性能逐渐增加。50 nm TiO2 HS获得了最优的性能,有效消除了磁滞现象。研究发现,50 nm Ti02 HS制备的电池具有更长的电子寿命,更快的传输速率,它的电子抽离能力也是最强的。此外,50 nm TiO2 HS的空腔结构有效减少了缺陷态密度,减少了缺陷,同时吸附更多的钙钛矿。综上,50 nm TiO2提高效率的同时,有效消除磁滞。


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