高性能平面p-i-n结构钙钛矿太阳能电池的研究

摘要

钙钛矿太阳能电池自从2009年出现以来，凭借其材料特有的带隙可调、光吸收系数高、载流子扩散长度大等优异的光电特性，在太阳能电池研究领域引起了极大的关注。经过短短几年的发展，其能量转换效率（power conversion efficiency，PCE）就从最初的3.8%激增到22.1%。同时钙钛矿太阳能电池具有成本低廉、工艺简单等特点，因此钙钛矿太阳能电池技术展现出了巨大的商业潜力。但是钙钛矿太阳能电池也存在稳定性较差，具有滞回现象等亟待解决的问题。本研究针对以上问题，通过界面修饰、成膜控制、组分工程等研究工作深入分析了钙钛矿太阳能电池中载流子输运过程、成膜动力学以及稳定性相关问题，采用低温工艺制备了具有低滞回效应的平面p-i-n结构钙钛矿太阳能电池，取得了一定的研究成果。本论文的主要结论和成果如下： (1)提出了基于聚合物电解质层PEIE对平面p-i-n结构钙钛矿太阳能电池进行界面修饰的方法，经过实验验证表明PEIE界面修饰层能显著提升钙钛矿太阳能电池的光电性能。研究表明，利用低极性指数的溶剂在电子传输层PC61BM和金属电极Ag之间插入8nm的PEIE界面修饰层可以将平面p-i-n结构的钙钛矿太阳能电池的PCE由11.01%提高到13.99%，提升幅度达到27%。经过200小时的稳定性试验表明，具有聚合物电解质PEIE界面修饰层的器件相对于参考器件其稳定性提高了40%以上。 (2)利用UPS等表征测试手段，深入分析PEIE界面修饰层对电子传输层PC61BM和金属电极Ag之间形成能级差的影响，并且揭示了其界面修饰的机理。通过太阳光强度从100mW/cm2到0.1mW/cm2范围内变光强条件下测试得到器件的开路电压（VOC）与短路电流密度（JSC）等数据，计算与分析了聚合物电解质PEIE界面修饰层引入前后对钙钛矿太阳能电池内部载流子输运的影响，从而进一步分析了PEIE界面修饰层减小载流子复合的机理。 (3)优化了溶剂工程法制备钙钛矿薄膜的工艺流程，创新性地提出采用甲苯与乙醚的混合溶液作为反溶剂来提升钙钛矿薄膜的结晶质量以及器件的光电性能的方法。通过研究发现当采用甲苯和乙醚的体积比为1∶1的混合溶液作为反溶剂时，钙钛矿薄膜的光电性能最优，通过优化混合溶液的比例将参考器件的PCE提升了11%。制备出了结构为Glass/ITO/PEDOT∶PSS/CH3NH3PbI3/PC61BM/BCP/Ag的平面p-i-n钙钛矿太阳能电池，其PCE超过15%。分析表明反溶剂溶液的挥发性和钙钛矿薄膜结晶质量以及薄膜覆盖质量相关，通过优化混合溶液作为反溶剂可有效提升钙钛矿太阳能电池的性能。 (4)进行钙钛矿组分工程的研究，进一步提升平面p-i-n结构钙钛矿太阳能电池的光电性能以及热稳定性。通过实验和一系列表征手段将MA0.7FA0.3Pb(I0.9Br0.1)3钙钛矿薄膜的退火条件优化为退火温度100℃退火时长30分钟，此时MA0.7FA0.3Pb(I0.9Br0.1)3薄膜的结晶质量最优，并且制备出了PCE超过16%，结构为Glass/ITO/PEDOT∶PSS/MA0.7FA0.3Pb(I0.9Br0.1)3/PC61BM/BCP/Ag的钙钛矿太阳能电池。此外研究了相关钙钛矿薄膜的热稳定性，实验表明加入30%的CH(NH2)2+阳离子以及10%的Br-阴离子的混合组分钙钛矿薄膜（MA0.7FA0.3Pb(I0.9Br0.1)3）相对于传统的MAPbI3薄膜的热稳定性显著提高。相应器件热稳定性也有明显的提升，MA0.7FA0.3Pb(I0.9Br0.1)3器件在80℃条件下放置24小时后保持初始效率的70.0%，而MAPbI3太阳能电池仅能维持初始效率的46.5%。 (5)在钙钛矿组分工程中的研究成果基础上，基于平面p-i-n结构钙钛矿太阳能电池低温工艺，采用PEN/ITO/PEDOT∶PSS/MA0.7FA0.3Pb(I0.9Br0.1)3/PC61BM/BCP/Ag器件结构，成功在柔性PEN衬底上成功制备了滞回系数为0.038，PCE达到11.76%的高性能柔性钙钛矿太阳能电池。并且通过曲率半径为8mm弯曲测试次数为1000次的弯曲测试实验后发现，其光电性能仍然维持其初始值的85%，表明此种柔性平面p-i-n结构MA0.7FA0.3Pb(I0.9Br0.1)3太阳能电池具备优异的机械可靠性。 制备出了高性能平面p-i-n结构钙钛矿太阳能电池，对相关机理进行了深入分析，并得到了结论性成果。制备的钙钛矿太阳能电池性能达到了同期国际领先水平，对钙钛矿太阳能电池产业化做出了一定贡献。

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