溶液法制备Pb和Bi基杂化钙钛矿太阳能电池光吸收层及其性能研究

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有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(Organic-inorganic hybrid perovskite solar cells,PSCs),由于其高效的光电转化效率(Photoelectric Conversion Efficiency,PCE)已经引起了研究者广泛关注,目前光电转换效率达到了22.1%。在研究PSC过程中,研究者们发现光吸收层的形貌和性质对太阳能电池的光伏性能影响显著。钙钛矿光吸收层在吸收太阳光时产生电子-空穴对,并能高效分离和传输电子-空穴对,电子和空穴分别向两极传输。因此,高质量的钙钛矿光吸收层对器件起着至关重要的作用。不同的制备工艺,不同的电池结构以及后期溶剂工程处理,对钙钛矿光吸收层的成膜质量都有影响,进而影响PSC的性能。本论文的主要研究内容和结论如下:1.以PbI2为原料制备钙钛矿光吸收层薄膜。将一定化学计量比的PbI2与MAI溶于DMF,配置成一步法旋涂的前驱体溶液,将前驱体溶液旋涂在cp-TiO2或者mp-TiO2上,分别以碳和金为对电极,组装成平面或者介孔太阳能电池。两步法旋涂法是先旋涂PbI2/DMF溶液,然后浸泡在MAI/IPA溶液中,得到CH3NH3PbI3薄膜。将一步法和两步溶液旋涂法制备钙钛矿薄膜用氯苯洗涤,用XRD、UV-Vis、FE-SEM分别测试和表征钙钛矿薄膜处理前后的形貌和性能。通过优化工艺,基于碳对电极,得到最佳的PCE为8.28%,基于金对电极,得到最佳的效率为11.57%。2.以Pb(Ac)2为原料制备钙钛矿光吸收层薄膜。将一定化学计量比的Pb(Ac)2与MAI溶于DMF,配置成一步法旋涂的前驱体溶液,将前驱体溶液旋涂在cp-TiO2或者mp-TiO2上,以金为对电极,组装成平面或者介孔太阳能电池。两步法旋涂法是先旋涂Pb(AC)2/DMF溶液,然后浸泡在MAI/IPA溶液中,得到CH3NH3PbI3薄膜。用XRD、UV-Vis、FE-SEM分别测试和表征钙钛矿薄膜处理前后的形貌和性能。基于金对电极,得到最佳的效率为15.04%。3.以BiI3为原料制备无毒钙钛矿光吸收层薄膜。将一定化学计量比的BiI3与MAI溶于DMF,配置成一步法旋涂的前驱体溶液,将前驱体溶液旋涂在cp-TiO2或者mp-TiO2上,以碳为对电极,组装成平面或者介孔太阳能电池。两步法旋涂法是先旋涂Bi I3/DMF溶液,然后浸泡在MAI/IPA溶液中,得到(CH3NH33Bi2I9薄膜。用XRD、UV-Vis、FE-SEM、AFM分别测试和表征Bi基钙钛矿薄膜处理前后的形貌和性能。在AM 1.5G照射(100m W cm-2)下测试不同方法制备的MBI膜和不同器件结构的光伏性能。与基于MAPbI3的器件相比,MBI的PSCs在空气中表现出优异的稳定性。与平面结构器件(1-cp和2-cp)相比,介孔结构的器件(1-mp和2-mp)PCE约为0.05%。值得注意的是,1-mp器件表现出最佳的PCE(0.054%),这归因于较高的895 mV开路电压(Voc)。通过1-S方法制造的平面结构器件(1-cp)与通过2-S方法制造的(2-cp)相比,显示出更高的PCE(0.039%)。碳对电极的PSC器件表现出相对低的填充因子(FF),这可归因于MBI层对碳对电极的较弱的界面接触性。通过XRD测定了基于cp-TiO2或mp-TiO2层的MBI膜的空气稳定性。在空气中连续放置201天时,1-mp器件维持了初始PCE的63.0%,主要是由于电流密度从0.255降至0.161 mA cm-2。因此,所有结果表明这些PSC显示出优异的长期稳定性。
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