钙钛矿太阳能电池界面层的制备与优化

【摘要】：近年来,基于钙钛矿材料本身优异的光电性能,钙钛矿太阳能电池得到了迅速的发展,如今效率已经突破25.2%。低廉的材料成本和简单的制备工艺使得钙钛矿太阳能电池拥有广阔的商业化前景。研究表明界面层材料在钙钛矿太阳能电池中起着至关重要的作用,不仅可以保证钙钛矿吸收层中载流子的高效分离与传输,还有助于提高器件的稳定性。本论文主要针对反向平面结构钙钛矿太阳能电池的界面层,通过新材料的引入或对原有制备工艺的优化以取得更高的光电转换效率。具体研究内容如下:(1)以萘酰亚胺(NDI)-硒吩共聚物电子传输层制备高效稳定钙钛矿电池。目前最常用的电子传输材料为富勒烯及其衍生物,但这类材料存在着价格昂贵、需双层或多层复合使用导致结构复杂且水氧稳定性差等问题。为了降低成本,简化制备工艺,实验室合成了三种n型NDI-硒吩共聚物(NDI-Se、NDI-Bi Se和NDI-Tri Se)。通过表征证明了三种聚合物热稳定性高(分解温度超过350℃)、结晶度高且链间相互作用强、具有与钙钛矿材料相匹配的能级、电子迁移率高(最高的NDI-Tri Se载流子迁移率达到了3.0×10?~(-4) cm?~2/V?·s?)。使用溶液处理将三种聚合物用做单层的电子传输层,NDI-Se、NDI-Bi Se和NDI-Tri Se分别取得了9.51%、7.66%和14.0%的效率。NDI-Tri Se的器件性能与真空蒸镀沉积C_(60)/BCP结构的器件性能相当(14.6%),器件在空气中还表现出更好稳定性。(2)引入高透过率的Ag/MoO_3新型界面缓冲层制备高效透明钙钛矿电池。在透明钙钛矿太阳能电池中,为了最大限度地保护传统的有机传输材料在溅射ITO等透明电极时不被破坏,需要引入合适的界面缓冲层材料。对此,我们设计了Ag(1 nm)/MoO_3(3 nm)的结构用作透明电池的缓冲层。实验结果证明了Ag与MoO_3在沉积过程中原位生成了Ag_2MoO_4,从而形成了连续且致密的保护层。这种薄膜不仅具有极好的透光性,使其对应透明电池在800-1400nm的波长范围内的平均透过率达到84.8%;更重要的是,Ag_2MoO_4固有的电子传输特性和与相邻材料匹配的能级结构,能极大地提高载流子的收集效率。在此基础上,Ag(1 nm)/MoO_3(3 nm)缓冲层的透明电池的效率(14.0%)比单层Ag(1 nm)作为缓冲层的器件提升了65%。与铜铟硒(CIS)堆叠组成的四电极叠层电池的效率为19.4%,总的效率收益达到了两个子电池总效率的70.3%。(3)钙钛矿电池NiO_x空穴传输层的两种制备方法比较。NiO_x作为一种高效稳定且易于制备的无机空穴传输材料,被广泛用于钙钛矿太阳能电池中。我们采用了溶胶法和煅烧法两种方式合成NiO_x空穴传输层。通过优化对比,两种方法都可以形成纯度高结晶性好的NiO_x,但煅烧法所需的制备温度更低(270℃),薄膜的透光度更好,对应器件的效率更高,最高效率达到了17.1%。