稳定高效氧化铁基钙钛矿太阳能电池的制备及性能研究

摘要

钙钛矿太阳能电池历经10年发展，最高转换效率可达23.7%，但是稳定性仍是摆在钙钛矿电池面前的一道难题。作为传统钙钛矿太阳能电池，TiO2—Spiro-OMeTAD结构被大量使用，但这种结构存在致命的稳定性问题。例如TiO2电子传输层具有很多氧空位和较高的紫外光催化能力，在紫外线作用下会逐渐分解钙钛矿；而Spiro-OMeTAD空穴传输层使用的掺杂剂（如LiTFSI）具有很强的吸水性，促进水汽侵入到钙钛矿层内部，不利于钙钛矿电池稳定使用。 钙钛矿的分解容易从缺陷处开始发生，而钙钛矿薄膜的缺陷大多集中在晶界处。增大晶粒尺寸可以有效减少晶界缺陷，进而提升钙钛矿电池的效率。为增大晶粒尺寸需要调控钙钛矿层的结晶速度，可通过路易斯碱与PbI2的可逆加成实现这一要求。本文尝试使用硫脲、硫代乙酰胺与DMSO三种路易斯碱对钙钛矿吸光层的形貌和器件效率进行优化。经过实验可以得出硫代乙酰胺虽能促进晶粒增长，但会造成残留；硫脲能够大幅提升晶粒尺寸，但其对实验操作要求高，孔洞、晶粒间隙等问题难以解决；使用DMSO作为路易斯碱，在未提升工艺复杂度的前提下，能够稳定获得效率达到14%的钙钛矿太阳能电池。 TiO2与Spiro-OMeTAD在稳定性上出现的问题与其本身材料特性有关。为提升稳定性，本文替换了两种传输层材料，有效规避了TiO2及Spiro-OMeTAD自身带来的稳定性问题。六方晶系三氧化二铁（α-Fe2O3）作为一种新型电子传输材料，对紫外光具有较高的抵抗力；而以LAD取代TBP/LiTFSI掺杂的新工艺使得PTAA这一空穴传输材料的吸潮能力显著降低，从而对水汽具有较高的抵抗力。本文首次将PTAA（LAD）引入到氧化铁基钙钛矿电池中，使用Fe2O3-PTAA（LAD）电子—空穴传输层结构组合制备出兼具紫外、水汽稳定性的钙钛矿太阳能电池。优化后的器件不仅获得13.01%的光电转换效率，还能在8h的紫外光照射或65~70%湿度环境存放9h后仍保留原有光电转换效率的90%以上。

目录

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 太阳能电池的发展历程

1.3 钙钛矿太阳能电池

1.3.1 钙钛矿太阳能电池的基本结构和原理

1.3.2 钙钛矿光吸收层

1.3.3 电子传输层

1.3.4 空穴传输层

1.4 钙钛矿太阳能电池的稳定性

1.4.1 钙钛矿光吸收层的稳定性

1.4.2 电子传输层对稳定性的影响

1.4.3 空穴传输层对稳定性的影响

1.5 本文选题依据及主要内容

2.1 相关设备及药品

2.2 钙钛矿太阳能电池制备流程

2.3 钙钛矿太阳能电池的表征

2.3.1 扫描电子显微镜（SEM）形貌表征

2.3.2 X射线衍射（XRD）成分表征

2.3.3 光电性能表征

2.3.4 电化学阻抗（EIS）表征

2.4 本章小结

第三章 基于路易斯酸碱加成钙钛矿吸收层的制备与表征

3.1 路易斯碱酸碱加成的工艺原理

3.2.1 硫脲掺杂工艺探索

3.2.2 DMSO/硫脲混合掺杂工艺探索

3.2.3 硫代乙酰胺掺杂与DMSO掺杂工艺探索

3.3 本章小结

第四章 基于α-Fe2O3—PTAA（LAD掺杂）结构的器件稳定性研究

4.1 TiO2—Spiro-OMeTAD结构对钙钛矿电池稳定性的影响

4.2 基于α-Fe2O3和TiO2电子传输层的器件紫外稳定性对比

4.2.1 制备工艺

4.2.2 XRD分析与表征

4.2.3 性能分析与表征

4.2.4 紫外稳定性测试与分析

4.3 PTAA(LAD)的工艺优化

4.3.1 制备工艺

4.3.2 性能分析与表征

4.4 基于PTAA（LAD）与Spiro-OMeTAD空穴传输层的器件水汽稳定性对比

4.4.1 制备工艺

4.4.2 性能分析与表征

4.4.3 水汽稳定性测试与分析

4.5 本章小结

第五章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果