基于聚合物及有机金属卤化物钙钛矿新型太阳能电池的界面材料制备及性能调控

摘要

利用光伏电池（太阳能电池）将清洁的太阳能转化为电能已成为一种有效手段，以满足日益增长的能源需求。共轭聚合物易于通过分子结构设计，改变吸收及电学传输特性，因而具备宽广的调控性。有机金属卤化物钙钛矿具有极高的消光系数，载流子扩散距离和双极性传输特性，是一种理想的光伏材料。基于聚合物及有机金属卤化物的第三代新型太阳能电池具备轻薄、低成本、可溶液成膜和易大面积制备等特点，是一种具有广阔发展前景的电池。界面调控作为改善聚合物太阳能电池和有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池性能的有效手段之一，一直备受关注。本文围绕聚合物太阳能电池及之后兴起的钙钛矿太阳能电池，以减少电池中界面层及活性层的缺陷为出发点，发展并优化了有效的电子与空穴传输界面层，改善了器件的性能，并探讨了器件性能得以提高的内在机理。
　　本研究主要内容包括：主要研究内容包括：⑴在ZnO纳米晶薄膜中引入原位交联的三维聚丙烯酸鋅（pZA）网络，对ZnO纳米晶缺陷进行钝化。缺陷得到钝化后，ZnO薄膜的荧光缺陷发射得到有效抑制。瞬态光电压与光电流测试表明pZA钝化了ZnO纳米晶的缺陷，抑制了器件中的缺陷辅助复合，使得器件载流子寿命提高到8.29μs，相较于未进行缺陷钝化的器件，提高了27％。同时交联网络的引入使得ZnO成膜更为致密，有效阻止了空气中水氧的侵蚀，增强了器件性能的稳定性。⑵引入二维层状氧化钒作为反型聚合物太阳能电池的空穴传输层，基于P3HT:PCBM活性层，实现了4.19%的光电转化效率。相较于基于一维氧化钒器件，电池光电转化性能提高了33%。二维界面材料由于较好的传输性能和较低的缺陷态，降低了器件的串联电阻和器件内缺陷辅助复合。⑶有机金属卤化物钙钛矿薄膜作为钙钛矿太阳能电池中最重要的活性层，我们研究了前驱体组分差异及退火方式对薄膜形貌及结晶的影响，当前驱体中碘甲胺（MAI）与氯化铅（PbCl2）摩尔比为3时，薄膜形貌较致密，同时晶体结晶完整，达到了形貌与晶体结构的最佳平衡。除了组分差异，快速退火过程也有利于钙钛矿薄膜结晶性的增强。此外针对PCBM/Al界面进行修饰，改善接触均能很好提高器件性能。相较于真空蒸镀的LiF，PbO修饰层，可溶液低温加工的聚乙烯亚胺（PEI）与ZnO修饰的器件性能与稳定性更佳。⑷在反型平面异质结钙钛矿太阳能电池中，我们首次将广泛使用的空穴传输材料替换为更为稳定及廉价的氧化石墨烯（GO）。GO的引入改善了钙钛矿的成膜性，避免了钙钛矿在 PEDOT:PSS上成膜易出现孔洞的问题。掠入射 X射线衍射（GIXRD）测试揭示，钙钛矿在 GO上成膜具备更优的结晶性和晶面取向性。通过优化GO厚度，我们实现12.4%器件效率，这是当时基于反型结构平面钙钛矿电池的最高报道效率。⑸针对钙钛矿薄膜中广泛存在的卤素缺陷，我们通过旋涂成膜在钙钛矿薄膜上沉积一层MAI，并进行二次退火处理，有效钝化了钙钛矿晶体缺陷。同时MAI的后处理促使了原有晶体晶界的融合，增强了钙钛矿薄膜的结晶性。我们也证明钙钛矿材料对后退火及溶剂异丙醇（IPA）很敏感，但我们采用的 MAI后处理方法有效避免了钙钛矿在退火过程中的分解，并增强了其对 IPA的耐受性，增强了钙钛矿薄膜的可加工性。基于有效的缺陷钝化和晶体质量改善，制备的器件效率达15.93%。

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第一章 绪论

1.1 概述

1.2 太阳能电池的基本概念

1.3 有机聚合物太阳能电池

1.4 有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池

1.5 界面调控在有机太阳能电池及钙钛矿太阳能电池中的作用

1.6 界面缺陷对太阳能电池的影响

1.7 选题依据与主要研究内容

1.8 参考文献

第二章 缺陷钝化的ZnO电子传输层用于聚合物太阳能电池的研究

2.1 引言

2.2 器件的制备与测量

2.3 结果与分析

2.4 本章小结

2.5 参考文献

第三章 二维层状氧化钒用于聚合物太阳能电池空穴传输层的研究

3.1 引言

3.2 器件的制备与测量

3.3 结果与分析

3.4 本章小结

3.5 参考文献

第四章 有机金属卤化物钙钛矿薄膜形貌优化及钙钛矿电池器件电子传输界面修饰

4.1 引言

4.2 器件的制备与测量

4.3 结果与分析

4.4 本章小结

4.5 参考文献

第五章 氧化石墨烯作为空穴传输层用于平面异质结钙钛矿太阳能电池的研究

5.1 引言

5.2 器件的制备与测量

5.3 结果与分析

5.4 本章小结

5.5 参考文献

第六章 有机金属卤化物钙钛矿薄膜缺陷钝化用于平面异质结钙钛矿太阳能电池的研究

6.1 引言

6.2 器件的制备与测量

6.3 结果与分析

6.4 本章小结6.5 参考文献

第七章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 本论文的主要创新点

7.3 存在问题与展望

攻读学位期间公开发表的学术论文与其他学术成果

致谢