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掺杂改性氧化镍空穴传输层制备高效稳定钙钛矿太阳能电池

夏雪峰  
【摘要】:有机-无机杂化钙钛矿由于具有高吸收系数、高载流子迁移率、长的载流子扩散长度、直接带隙、低激子结合能等优点而成为研究热点。短短十年内,钙钛矿太阳能电池光电转换效率从3.8%迅速提升到23.7%。在不同的钙钛矿太阳能电池器件结构中,反向平面器件结构因其制备简便,结构简单,迟滞效应小等优点而受到研究人员的广泛关注。在反向平面钙钛矿太阳能电池中,空穴传输层起着至关重要的作用,其不仅能够有效传输空穴,阻挡电子,同时还能够影响钙钛矿层的结晶生长行为和微观形貌,以及器件的稳定性。空穴传输材料主要包括p型有机和无机半导体材料。与有机空穴传输材料相比,无机空穴传输材料具有更为优越的稳定性、更高的空穴迁移率,且成本低,并能够实现可溶液加工。其中,NiO_x以其宽带隙,高的透光性,优异的化学稳定性,以及与钙钛矿之间好的能级匹配而广泛应用于反向平面钙钛矿太阳能电池中。基于NiO_x空穴传输层的反向平面钙钛矿太阳电池效率已经超过20%,并且表现出较高的填充因子和好的稳定性。然而,纯NiO_x的自身导电性较差,从而导致器件界面处出现严重的电荷复合,降低空穴抽取效率。为了克服这一缺点,最有效的方法就是掺杂改性。首先,本文运用锂、银共掺策略,成功制备了Li和Ag共掺杂NiO_x薄膜(Li,Ag:NiO_x),并将其应用于反向平面钙钛矿太阳能电池。研究表明,对比于纯的NiO_x薄膜以及单掺杂NiO_x薄膜,Li,Ag:NiO_x薄膜表现出协同效应,赋予NiO_x薄膜以更高的电导率和空穴迁移率,以及形成与钙钛矿活性层更好的能级匹配。更重要的是,Li,Ag:NiO_x薄膜还能够影响钙钛矿活性层的结晶生长行为,在Li,Ag:NiO_x薄膜上生长的钙钛矿薄膜表现出更高的结晶性。以Li,Ag:NiO_x薄膜为空穴传输层制备的钙钛矿太阳电池表现出高达19.24%的光电转换效率,且无明显迟滞效应,其器件性能明显优于以纯NiO_x和单掺杂NiO_x为空穴传输层制备的器件性能。此外,未封装的Li,Ag:NiO_x基器件在相对湿度为30±2%的环境下,30天内仍然能保持其光电转换效率的95%,表现出优异的稳定性。其次,本文运用杂化策略,成功制备了可溶液加工的碳量子点(CQDs)/NiO_x杂化薄膜,并将其作为空穴传输层应用于反向平面钙钛矿太阳能电池。研究发现,相比于纯的NiO_x薄膜,添加适量的碳量子点能够有效提高薄膜的电导率和空穴迁移率,同时调控界面能级,提供与钙钛矿活性层更好的能级匹配。此外,在(CQDs)/NiO_x杂化薄膜上生长的钙钛矿活性层具有更好的晶体质量和结晶择优取向。基于此,以3wt%CQDs/NiO_x薄膜为空穴传输层制备的钙钛矿电池器件表现出优异的光伏性能,其开路电压高达1.15 eV,光电转换效率达到19.20%,迟滞效应小,并且具有良好的环境稳定性。本论文工作为实现高效p型NiO_x空穴传输层的制备提供有效途径,为提高反向平面钙钛矿太阳电池的效率和稳定性提供新思路。


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