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高效柔性钙钛矿太阳电池及器件设计与稳定性研究

侯丽新  
【摘要】:具有质量轻、可弯曲、适用性广等特点的柔性太阳能电池,由于在可穿戴电子织物、柔性显示、移动供电设备、可变形传感器等领域具有广泛的应用前景,受到了人们的广泛关注。而钙钛矿太阳能电池,是制备柔性太阳能电池的一种理想材料,因为它不仅具有高能量转换效率,同时具有较低的加工温度(150℃),能够适用于在柔性基底的制备工艺。本论文为制备高效柔性钙钛矿太阳能电池进行了大量的实验研究,并在此研究基础上,对后期大面积器件的开发,以及寿命的提升,做了相关的探索研究和技术储备。本论文主要包括以下四方面的研究内容:(1)针对两步法制备钙钛矿薄膜存在的反应不完全、工艺重复性差的关键科学问题,研究了以高沸点低挥发性DMSO溶剂替代低沸点DMF溶剂制备无序的非晶Pb I2薄膜,开发了利于CH3NH3I快速扩散以实现钙钛矿薄膜完全反应的两步法成膜技术,制备了高质量的钙钛矿薄膜。实验研究了两步法制备钙钛矿薄膜中Pb I2溶剂对钙钛矿成膜结晶质量的性能影响,并从机理上进行了分析。采用高沸点低挥发性DMSO溶剂替代传统溶剂DMF,DMSO溶剂与Pb I2形成DMSO-Pb I2中间体,抑制了Pb I2快速自聚集形成Pb I2晶体而形成无序的非晶Pb I2薄膜,显著加快了CH3NH3I向Pb I2层内部的扩散速率,提高了钙钛矿反应完全速率。测试结果表明,钙钛矿吸光层结晶质量明显提高,组装电池效率大幅度提升至15.1%。(2)针对传统一步法制备钙钛矿薄膜结晶可控性差、晶粒尺寸小的关键科学问题,研究了引入可与卤化铅螯合的高沸点二卤代添加剂,开发了可促使钙钛矿晶体成核更均匀、晶粒尺寸更大的一步法成膜技术。深入研究了一步法钙钛矿前驱体配方对制备钙钛矿薄膜及其组装电池的性能影响。利用Pb I2、Pb Cl2与MAI生成钙钛矿反应动力学的不同,提出将两者卤化铅混合的配方;引入并优选可与卤化铅螯合的二卤代添加剂类型、优化二卤代添加剂添加量、添加时机以及钙钛矿吸光层成膜工艺;同时结合Pb I2易结晶的特性,设计了含Pb I2过量(Pb I2/Pb Cl2/MAI=1.114:1:4)的新型钙钛矿吸光层配方,得到高质量的钙钛矿薄膜,电池光电转换效率可达20.3%,达国内领先水平。(3)针对柔性透明电极表面粗糙度大影响电池漏电流产生的技术瓶颈,研究设计了由低、中、高三种不同沸点溶剂组成的钙钛矿前驱体溶液,开发了基于柔性透明电极的高质量钙钛矿薄膜制备技术。优选了低电阻、低粗糙度、高耐热性的柔性透明电极PET/ITO;自主设计了双层结构空穴传输层PEDOT:PSS/Ni O,利用PEDOT:PSS湿法加工工艺的流动性将PET/ITO整体平坦化,利用Ni O干法制备工艺的叠加性将暴露在PEDOT:PSS外部的ITO局部钝化,显著降低了PET/ITO组装柔性电池产生的漏电流;国际上首次在钙钛矿吸光层前驱体溶液中引入双添加剂,利用其溶剂的梯度挥发特性,调控钙钛矿结晶成核速率和生长尺寸,显著提高钙钛矿结晶质量,PET衬底柔性PSC转换效率实现全球最高18.9%。(4)针对大面积钙钛矿电池器件转换效率低和稳定差的问题,研究设计了大面积器件透明电极的串联结构,条缝涂布法制备了大面积钙钛矿吸光层,开发了常温常压液态封装技术,制作了大面积高效稳定的柔性串联器件。基于5cm×5cm ITO透明阳极,通过设计串联器件图案、器件结构、单元电池形状及宽带等,制备了3条1.2cm宽度单元电池条串联、有效面积为12cm2的PSC串联器件,玻璃衬底PSC器件光电转换效率最高可达11.2%,柔性衬底PSC器件效率达8.29%。进一步从内部修饰和外部封装两方面研究了提高5cm×5cm面积柔性PSC串联器件稳定性的技术。通过设计复合空穴传输层(Mo O3/PEDOT:PSS)对钙钛矿吸收层进行前修饰,通过设计双层电子传输层(PCBM/TIPD)对钙钛矿吸收层进行后修饰;通过优选封装胶和高阻隔封装膜,优化封装工艺,封装柔性PSC器件寿命达到500h。


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