高效、高稳定钙钛矿太阳能电池关键材料与器件结构研究

摘要

有机/无机杂化卤化物钙钛矿材料ABX3(A=CH3NH3(MA), HC(NH2)2(FA), Cs;B=Pb, Sn;X=Cl, Br, I)具有高摩尔消光系数、可调的带隙、较低的激子束缚能和载流子双极性传输等特性，在电学、光学等领域的应用前景十分广阔。基于卤化物钙钛矿材料的太阳能电池具有效率高、成本低、可低温溶液制备、透明多彩等特点和优势，从而受到了学术界和产业界的广泛关注。尽管实验室认证效率已达到22.1%，但如何在实现高效率的同时保持稳定性是其产业化应用的关键。本论文从液态钙钛矿敏化太阳能电池出发，过渡到多种结构的全固态钙钛矿太阳能电池，围绕着提升器件效率和稳定性，开展了以下几个方面的研究工作：
　　(1)本论文从基于液态电解质的p型敏化太阳能电池入手，对比研究了钙钛矿敏化和有机染料敏化太阳能电池的工作机理和性能差异。相较于传统 p型染料敏化电池，钙钛矿敏化电池具有更高的器件效率（0.71%>0.15%），表现在显著提高的的开路电压(205 mV)和短路电流密度(9.47 mA cm-2)。机理研究表明：在p型钙钛矿敏化太阳能电池中，喷雾热解形成的NiO致密层决定了电荷的流向。介孔NiO薄膜的存在，可以有效地抽取钙钛矿产生的光生电荷。但其自身的光吸收对电池的光捕获效率造成不利竞争，介孔孔洞对液态电解质的扩散传输也存在一定的限制作用。
　　基于高效的p型钙钛矿敏化半电池，本论文进一步将其与n型染料敏化半电池构建成pn叠层电池，实现了消光范围的拓宽和开路电压的叠加，开路电压达到1050 mV，同时电池光电转换效率达4.31%，显著超过同期国际pn叠层染料敏化太阳能电池1.91%的效率记录。
　　(2)鉴于液态钙钛矿太阳能电池的不稳定性和介孔 NiO自身颜色造成的光学损失，进一步开展固态反式平面型钙钛矿太阳能电池（结构为 FTO玻璃/致密 NiO/钙钛矿/PCBM/Bis-C60/Ag）的研究。通过两步连续法调控 FAI0.85MABr0.15浓度从而制备高质量FA1?xMAxPb(I1?yBry)3混合钙钛矿薄膜。研究发现，当FAI0.85MABr0.15的浓度为40 mg mL-1，得到的钙钛矿薄膜的物相最纯、晶粒尺寸最大、荧光寿命最长。相应的最优化器件开路电压为1101 mV，短路电流密度为21.45 mA cm-2，填充因子为0.76，光电转换效率达到17.95%。而当FAI0.85MABr0.15浓度过低或过高时，钙钛矿薄膜中会残留一定量的PbI2或δ-FAPbI3杂质相，这些杂质相对器件效率和稳定性有不同的影响。
　　(3)针对有机空穴传输材料Spiro-MeOTAD导电性低、稳定性差、价格昂贵等缺点，采用无机铜铁矿结构的CuGaO2纳米片取代 Spiro-MeOTAD，构建“FTO玻璃/c-TiO2/钙钛矿/CuGaO2/Au”顺式结构太阳能电池。CuGaO2纳米片作为空穴传输材料具有可低温涂布、空穴迁移率高（10-2~101 cm2 V-1 s-1）、化学稳定性高等优点，基于该材料，在获得更高的效率的同时，大幅提高了器件的稳定性。相比Spiro-MeOTAD的17.14%的效率，CuGaO2器件的效率达到18.51%。由于 CuGaO2自身良好的化学稳定性和屏蔽作用，将CuGaO2器件在室内空气中放置30天进行老化，器件的效率仍能保持初始值的80%。
　　(4)基于印刷介孔电池结构“FTO玻璃/c-TiO2/m-TiO2/m-Al2O3/m-Carbon”，发展了一种MAPbI3(SrCl2)x混合钙钛矿材料体系。与MAPbI3相比，混合钙钛矿材料不仅减少有毒Pb的用量，而且可以改善混合钙钛矿在介孔电极中的填充状态，且形成一种特殊的结晶形态，能够有效钝化钙钛矿缺陷态，使得钙钛矿中载流子复合寿命显著延长（180 ns>67 ns）。器件的光电转换效率由 MAPbI3的12.63%提高至MAPbI3(SrCl2)0.1混合钙钛矿的15.90%。同时，混合钙钛矿器件的稳定性也得到进一步的改善，该器件在不封装情况下在白光LED照射1000 h后，效率仍保留了初始值的90%。

目录

声明

1绪论

1.1研究背景

1.2太阳能电池

1.3 太阳能电池性能参数

1.4 本论文研究思路以及研究内容

2 液态p型钙钛矿敏化太阳能电池及其pn叠层太阳能电池

2.1引言

2.2 实验部分

2.3 结果分析与讨论

2.4本章小结

3 两步法调控FA0.85MA0.15Pb(I0.85Br0.15)3晶体成膜及其在反式平面太阳能电池中的应用

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与分析

3.4 本章小结

4 无机空穴传输材料CuGaO2在高效稳定钙钛矿太阳能电池中的应用

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与分析

4.4 本章小结

5 基于SrCl2-MAPbI3复合钙钛矿的全印刷介孔太阳能电池

5.1引言

5.2 实验部分

5.3 结果与分析

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1研究内容总结

6.2本文创新点

6.3研究展望

致谢

参考文献

附录1攻读博士学位期间发表论文目录