P型半导体在反式钙钛矿太阳能电池中的应用

摘要

有机无机杂化金属卤化物钙钛矿太阳能电池（Perovskite solar cells,PSCs）在短短的几年时间之内，从最初报道的3.8%光电转换效率提升到现在的22.7%，效率的快速提升主要得益于钙钛矿材料本身具有的较高的摩尔消光系数和电子/空穴迁移率以及良好的成膜性。但是，钙钛矿太阳能电池的器件稳定性和成本问题一直未能得到很好的改善，阻碍了电池商业化发展的进程。反式钙钛矿太阳能电池（Inverted perovskitesolar cells,i-PSCs）因其低迟滞、可低温制备、制备流程简单等优势，受到了研究者们广泛的关注。 本论文主要以P型半导体在反式钙钛矿太阳能电池的应用为研究对象，从优化器件效率、降低组件成本、提高电池稳定性出发，通过紫外可见分光光度计、扫描电子显微镜、原子力探针显微镜、X射线衍射分析、荧光测试分析、导电性测试、迁移率测试、电化学工作站、J-V曲线测试等测试手段，探究了有机高聚物聚乙撑二氧噻吩-聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）、无机氧化镍（NiOx）、有机小分子4,4',4''-三（N-3-甲基苯基-N-苯基氨基）三苯胺（m-MTDATA）三种典型的P型半导体在反式钙钛矿太阳能电池的应用。本文主要开展了以下研究工作： 1.优化PEDOT:PSS与甲醇体积比，利用绿色溶剂乙酸乙酯作为反溶剂来对钙钛矿结晶进行控制。通过在以PEDOT:PSS为空穴传输层（Hole transporting layer,HTL）的反式钙钛矿太阳能电池中添加CS、甲脒（FA）到甲胺（MA）体系钙钛矿（MAPbI3）中，制备的电池效率上升6.4%，电池稳定性得到显著地提高。 2.比较不同的NiOx制备方法，发现喷雾热解法为最优方法。将喷雾热解法制备的NiOx厚度控制在20nm，通过在以NiOx为空穴传输层的反式钙钛矿太阳能电池中使用合成的富勒烯衍生物N-甲基-2-戊基[60]富勒烯吡咯烷（NMPFP）取代昂贵的[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）作为电子传输层，取得了和PCBM效率相当的结果，在成本上得到了巨大的降低。 3.采用一种新型无需掺杂的空穴传输材料（有机小分子m-MTDATA）来取代PEDOT:PSS制备反式钙钛矿太阳能电池，m-MTDATA材料相对聚[双（4-苯基）（2,4,6-三甲基苯基）胺]（PTAA）材料成本低廉。在对m-MTDATA薄膜进行光学、电学、化学性质测试后发现，厚度对m-MTDATA薄膜的性能几乎没有影响，最后在m-MTDATA薄膜烧结温度为150℃下制得的钙钛矿太阳能电池最高效率达到了18.12%，而相应的PEDOT:PSS电池的效率仅为13.44%。除了效率的提升之外，未封装电池在室内暗态存放1000个小时，还能保持原有效率的90%，而PEDOT:PSS电池降为原有效率的40%，在连续光照下80个小时也具有良好的稳定性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 钙钛矿材料及其晶体结构

1.2.1 晶体结构与组分

1.2.2 光学性质

1.2.3 电学性质

1.3 钙钛矿太阳能电池（PSCs）的发展历程

1.4 钙钛矿太阳能电池的结构与基本工作原理及电池重要参数

1.4.1 钙钛矿太阳能电池的结构与基本工作原理

1.4.2 钙钛矿太阳能电池的性能参数

1.5 反式钙钛矿太阳能电池（i-PSCs）的研究进展

1.5.1 空穴传输材料（HTM）的选择

1.5.2 空穴传输材料的分类

1.5.3 空穴传输材料在反式钙钛矿太阳能电池中的研究进展

1.6 论文的研究思路和工作内容

第2章 高聚物PEDOT:PSS在反式钙钛矿太阳能电池中的应用

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂

2.2.2 实验仪器

2.2.3 钙钛矿前驱体溶液的制备

2.2.4 器件的制备

2.3 结果与讨论

2.3.1 PEDOT:PSS薄膜厚度的优化

2.3.2 钙钛矿结晶的优化

2.3.3 钙钛矿组分的优化

2.4 基于 PEDOT:PSS 的反式钙钛矿太阳能光伏性能与稳定

2.5 本章小结

第3章 无机NiOx在反式钙钛矿太阳能电池中的应用

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂

3.2.2 实验仪器

3.2.3 电子传输层NMPFP的合成

3.2.4 器件的制备

3.3 结果与讨论

3.3.1 NiOx的制备方法选择

3.3.2 NiOx薄膜厚度的优化

3.3.3 富勒烯衍生物NMPFP取代PCBM在反式钙钛矿能电池中的应用

3.4 基于 NiOx的反式钙钛矿太阳能电池光伏性能与稳定性研究

3.5 本章小结

第4章 有机小分子m-MTDATA在反式钙钛矿太阳能电池中的应用

4.1 引言

4.2 实验内容

4.2.1 实验试剂

4.2.2 实验仪器

4.2.3 空穴传输层的制备

4.2.4 器件的制备

4.3 结果与讨论

4.3.1 电池结构示意图以及截面扫描电子显微镜图表征

4.3.2 电池的能带位置与空穴传输材料化学结构式表征

4.3.3 光学性能与电学性能表征

4.3.4 空穴传输层的SEM、AFM表征

4.3.5 空穴传输层的PL表征

4.3.6 钙钛矿薄膜的SEM、XRD表征

4.3.7 不同空穴传输层制备的钙钛矿太阳能电池的性能

4.3.8 不同厚度的m-MTDATA薄膜对应钙钛矿太阳能电池的性能

4.3.9 不同温度条件下烧结的m-MTDATA薄膜对应的钙钛矿太阳能电池的性能

4.3.10 钙钛矿太阳能电池的IPCE、稳态输出、重复性表征

4.3.11 电化学工作站（EIS）测试

4.4 基于不同空穴传输层制备的钙钛矿太阳能电池的稳定性研究

4.5 蒸镀 m-MTDATA 空穴传输层制备大面积反式钙钛矿太阳能电池

4.6 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果目录