全钙钛矿叠层太阳能电池的制备及优化

【摘要】：近年来,基于铅(Pb)卤化物钙钛矿吸光材料的太阳能电池(PSC)的光电转换效率(PCE)已经突破25%。然而依据肖克利奎伊瑟极限(Shockley-Queisser limit),单结PSC的效率进一步提升空间有限,因此发展叠层太阳能电池是打破限制、进一步提升PSC效率的最重要途径。叠层太阳能电池能够提高电池转换效率是源于其一般由两个以上的子电池构成,通过在子电池使用不同带隙的半导体材料,可以拓宽太阳能光谱的利用范围。相比其它叠层电池,全钙钛矿串联太阳能电池具有独特的优势,包括钙钛矿材料带隙在较宽的范围内可调,并且吸光系数、迁移率高;基于相同带隙吸光材料的子电池中,PSC的光电转换效率较高、可低温制备并且制造成本较低。本文通过采用Sn-Pb混合窄带隙钙钛矿材料和Br掺杂宽带隙钙钛矿材料分别作为叠层电池的底电池和顶电池吸光材料,采用机械堆叠制备全钙钛矿四端叠层太阳能电池,主要研究内容如下:(1)叠层电池底电池的制备。通过Sn原子代替Pb原子,二者比例为1:1,制备了禁带宽度为1.23 e V的(FASn I_3)_(0.5)(MAPb I_3)_(0.5)钙钛矿吸光层。采用10%的Sn F_2和金属Sn粉作为添加剂抑制Sn~(2+)的氧化并将Sn~(4+)还原为Sn~(2+)。在此基础之上,通过对前驱体溶液浓度、阳离子掺杂及退火温度的优化,制备了厚度达800 nm的吸光层。最终制备的单结窄带隙(1.23 e V)钙钛矿电池ITO/PEDOT:PSS/(FASn I_3)_(0.5)(MAPb I_3)_(0.5)/C_(60)/BCP/Ag的V_(oc)为0.68 V,J_(sc)为32.36 m A/cm~2,FF为63.53%,PCE为13.96%。(2)叠层电池半透明顶电池的制备。通过Br原子代替I原子,Br与I的比例为0.8:2.2,制备了禁带宽度为1.74 e V的MAPb Br_(0.8)I_(2.2)的钙钛矿吸光层。优化空穴传输层(Ni O_x)的制备条件。以此为基础优化了前驱体溶液中Br的来源、前驱体溶液浓度及溶剂比例。最终获得了V_(oc)为1.09 V,J_(sc)为18.49 m A/cm~2,FF为65.07%,PCE为13.08%的电池(ITO/Ni O_x/MAPb Br_(0.8)I_(2.2)/C_(60)/BCP/Ag)。在此不透明顶电池基础上,通过引入高透光率的Ag/Mo O_3界面缓冲层,以ITO为透明顶电极制备了半透明钙钛矿顶电池ITO/Ni O_x/MAPb Br_(0.8)I_(2.2)/C_(60)/BCP/Ag(1 nm)/Mo O_3(3 nm)/ITO/Ag。其V_(oc)为1.07 V,J_(sc)为13.23 m A/cm~2,FF为69.95%,最终PCE为9.86%。此外,制备了对比电池,即基于低禁带宽度(1.56 e V)的MAPb Cl_(0.1)I_(2.9)不透明电池ITO/Ni O_x/MAPb Cl_(0.1)I_(2.9)/C_(60)/BCP/Ag和半透明电池ITO/Ni O_x/MAPb Cl_(0.1)I_(2.9)/C_(60)/BCP/Ag(1 nm)/Mo O_3(3 nm)/ITO/Ag分别获得了18.41%和8.49%的效率。(3)叠层全钙钛矿太阳能电池的组装。将1、2步获得底电池和半透明顶电池通过机械堆叠方式,制备了两种4-T叠层电池,以ITO/PEDOT:PSS/(FASn I_3)_(0.5)(MAPb I_3)_(0.5)/C_(60)/BCP/Ag作为底电池,以ITO/Ni O_x/MAPb Br_(0.8)I_(2.2)/C_(60)/BCP/Ag(1 nm)/Mo O_3(3 nm)/ITO/Ag和ITO/Ni O_x/MAPb Cl_(0.1)I_(2.9)/C_(60)/BCP/Ag(1 nm)/Mo O_3(3 nm)/ITO/Ag作为顶电池,分别获得了15.56%和13.39%的效率。