金属氧化物阴极缓冲层材料的合成及在钙钛矿太阳能电池中的应用

摘要

钙钛矿太阳能电池由于其持续快速提升的高效率、制备工艺简单、成本低以及可实现柔性大面积印刷等优势，受到越来越多研究者的关注，成为光伏电池领域的研究热点。目前提高钙钛矿电池光电转换效率及改善其稳定性的方法主要包括器件结构的优化、钙钛矿晶体薄膜的形貌调控和界面缓冲层的修饰等。本论文针对不同器件结构，从界面修饰角度出发，分别研究金属氧化物阴极缓冲层在钙钛矿电池器件中的应用。一方面，对于p-i-n平面结构，系统研究氧化锌（ZnO）-聚合物复合阴极缓冲层对钙钛矿器件的影响。另一方面，在n-i-p结构中，考察二氧化钛（TiO2）电子传输层、钙钛矿光活性层和聚(3-己基噻吩)（P3HT）空穴传输层制备工艺条件对钙钛矿电池性能的影响。具体研究内容如下：
　　（1)ZnO纳米颗粒-聚[9,9-二辛基芴-9,9-双(N,N-二甲基胺丙基)芴]（ZnO:PFN）和ZnO纳米颗粒-聚乙烯亚胺（ZnO:PEI）复合物的制备及器件性能研究。采用溶液法制备ZnO:PFN和ZnO:PEI复合墨水，考察了复合质量比对器件光伏性能及稳定性的影响，借助原子力显微镜（AFM）分析复合薄膜形貌，探究复合薄膜作用机理。结果表明：
　　当PCBM（20 mg/mL）旋涂转速为1500 rpm，ZnO墨水浓度为6mg/mL，PFN墨水浓度为1 mg/mL，二者复合质量比为2:1时，复合薄膜作为阴极缓冲层的钙钛矿电池器件VOC=0.90 V，JSC=18.41 mA/cm2，FF=0.77，PCE=12.64％，效率提高约40%。ZnO:PFN复合阴极缓冲层的引入可提高钙钛矿器件稳定性，持续光照700 h，引入ZnO:PFN复合阴极缓冲层前后钙钛矿器件PCE分别衰减73%和52%；
　　当PCBM（20 mg/mL）旋涂转速为1000 rpm，ZnO墨水浓度为6mg/mL，PEI墨水浓度为0.2 mg/mL，二者复合质量比为7.5:1时，复合薄膜作为阴极缓冲层的钙钛矿电池器件VOC=0.84 V，JSC=18.42 mA/cm2，FF=0.76，PCE=11.76%，光电转换效率提高约17%。持续光照665 h后，引入ZnO:PEI复合阴极缓冲层前后钙钛矿器件PCE分别衰减77%和57%，电池稳定性得到提高；
　　与ZnO:PFN复合薄膜阴极缓冲层对p-i-n结构钙钛矿电池光伏性能及稳定性的提高相比，ZnO:PEI复合薄膜阴极缓冲层效果略差，但从器件性能及制作成本上综合考虑，ZnO:PEI复合薄膜具有更好的应用前景。
　　（2）TiO2/perovskite/P3HT结构n-i-p型钙钛矿电池电极界面优化及器件性能研究。采用溶胶凝胶结合旋涂法制备TiO2薄膜，研究TiO2薄膜退火温度、钙钛矿（PVSK）薄膜制备工艺、P3HT膜厚、P3HT批次差异及掺杂改性对器件性能的影响。结果表明：
　　以300℃退火的TiO2薄膜为电子传输层，PVSK膜厚为190 nm，P3HT膜厚为60 nm，以未掺杂P1（P3HT，北京Solarmer Energy公司）作为空穴传输材料，PCE最优为4.88%；
　　P3HT材料规整度、分子量分布等对载流子传输性能有明显影响，以掺杂P2（P3HT，西安宝莱特光电科技有限公司，Rr=87%，Mw=21,000 g/moL）为空穴传输层材料，所得器件效率最高，达到8.18%；以500℃高温退火TiO2薄膜为电子传输层，基于以上制备工艺及优选 P3HT材料的器件VOC=0.98 V，JSC=17.90 mA/cm2，FF=0.66，PCE=11.54%。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 钙钛矿太阳能电池简介

1.2.1 钙钛矿型有机-无机杂化物简介

1.2.2 钙钛矿太阳能电池发展简史

1.2.3 钙钛矿太阳能电池工作原理及器件结构

1.2.4 钙钛矿太阳能电池的性能参数

1.3 钙钛矿太阳能电池中电极界面缓冲层材料研究进展

1.3.1 用于n-i-p结构钙钛矿电池的电极缓冲层材料

1.3.2 用于p-i-n结构钙钛矿电池的电极缓冲层材料

1.4 研究目的与研究内容

1.4.1 研究目的

1.4.2 研究内容

第二章 聚合物修饰ZnO复合薄膜作为阴极缓冲层在钙钛矿电池中的应用

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验原料

2.2.2 复合墨水的配制

2.2.3 p-i-n结构钙钛矿太阳能电池器件的制备过程

2.2.4表征与测试

2.3 结果与讨论

2.3.1 ZnO墨水和薄膜形貌分析

2.3.2 ZnO墨水浓度及旋涂转速优选

2.3.3 ZnO:PFN复合薄膜阴极缓冲层在钙钛矿电池中的应用

2.3.4 ZnO:PEI复合薄膜阴极缓冲层在钙钛矿电池中的应用

2.4 本章小结

第三章 TiO2/Perovskite/P3HT结构n-i-p型钙钛矿电池电极界面优化与器件性能

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验原料

3.2.2 TiO2纳米墨水合成及其薄膜制备

3.2.3 n-i-p结构钙钛矿太阳能电池制备过程

3.2.4 表征与测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 低温TiO2物相分析

3.3.2 TiO2退火温度对钙钛矿器件性能的影响

3.3.3 钙钛矿厚度对器件性能的影响

3.3.4 P3HT厚度对器件性能的影响

3.3.5 P3HT掺杂对器件性能的影响

3.3.6 P3HT批次及添加剂对器件性能的影响

3.3.7 基于高温退火TiO2的钙钛矿器件

3.4 本章小结

第四章 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文及其研究成果