有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池中界面缓冲层的研究

摘要

随着经济的飞速发展和化石能源的日益紧缺，人类对开发利用新能源的需求变得更加迫切，基于光伏技术的太阳能电池应运而生。基于对太阳能电池的市场化应用方面考虑，太阳能电池的研究以低成本、高效率及制备工艺简单可控为目标。有太阳能电池具有质量轻，制备所需的能耗少，柔性好等优点被受关注。钙钛矿太阳能电池则以低成本高效率的优势成为太阳能电池领域的新宠儿。太阳能电池光电转换过程主要由光子吸收，激子产生，激子分离和电荷提取组成，提高太阳能电池的效率主要通过结构设计，界面调控和形貌修饰等方式实现。本文利用界面调控的方法在有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池通过引入界面缓冲层来提高和改善器件的性能及制备工艺。本研究主要内容包括：
　　⑴引入了一种具有很强的电子接受能力的有机小分子材料HAT-CN作为空穴提取层应用于倒置有机太阳能电池器件中，并将其夹在Al电极和活性层之间。与传统的p型材料不同，HAT-CN空穴提取层提供了一个电子和空穴再复合的区域。由于很好的能级匹配，HAT-CN空穴提取层可以使由Al电极注入的电子与从P3HT提取的空穴相复合。通过引入HAT-CN空穴提取层，基于P3HT∶ICBA活性层的倒置有机太阳能电池器件获得了6.2％的能量转换效率。与常规所使用的MoO3空穴提取层制备的器件具有可比性，而作为有机小分子材料，HAT-CN空穴提取层在低温条件下即可制备而成。
　　⑵构建一种电子提取层(EEL)并应用于倒置有机聚合物太阳能电池器件中。该电子提取层是由一类新的有机材料p-PPtNT和碳酸铯(Cs2CO3)共同组合而成，用作复合电子提取层(CEEL)。该复合电子提取层应用于基于P3HT∶PCBM活性层的倒置有机聚合物太阳能电池器件中，器件获得了理想的4.15％的能量转换效率。与没有使用电子提取层的器件相比，使用复合电子提取层的器件效率提高了近220个百分点。而与基于ZnO电子提取层制备的器件也同样具有可比性。实验分析表明，基于复合电子提取层制备的倒置有机聚合物太阳能电池器件，其能量转换效率的显著提高主要是由于在活性层与电极之间加入复合电子提取层使活性层与电极界面形成欧姆接触以及电子提取势垒降低。
　　⑶对平面异质结钙钛矿太阳能电池的界面缓冲层进行研究。本实验通过引入PEDOT∶PSS空穴提取层材料和PCBM电子提取层材料分别替代传统钙钛矿太阳能电池器件中所使用的spiro-OMeTAD和TiO2材料，采用一步溶液法制备出ITO/PEDOT∶PS S/CH3NH3PbI3-xClx/PCBM/Ag结构的平面异质结钙钛矿太阳能电池器件。通过优化引入的界面缓冲层及钙钛矿吸光层，最终器件得到了11.02％的能量转换效率。PEDOT∶PSS空穴提取层和PCBM电子提取层的引入使平面异质结钙钛矿太阳能电池器件可以全部使用溶液法制备得到，从而使得器件的制备成本更低，制备工艺更加简单可控。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 太阳能电池简介

1．2．1 太阳能电池的工作原理

1．2．2 太阳能电池的发展

1．3 有机太阳能电池的发展与挑战

1．3．1 有机太阳能电池的发展历程

1．3．2 有机太阳能电池面临的挑战

1．4 钙钛矿太阳能电池的研究进展

1．4．1 钙钛矿材料

1．4．2 钙钛矿材料的制备

1．4．3 器件结构类型

1．5 本论文的主要研究工作

第二章 有机太阳能电池的研究

2．1 有机太阳能电池的工作原理和种类

2．2 有机太阳能电池的结构

2．3 有机太阳能电池的材料和器件的制备

2．3．1 有机太阳能电池的材料

2．3．2 有机太阳能电池器件的制备

2．4 有机太阳能电池的性能表征

2．5 有机太阳能电池中界面缓冲层的研究

2．5．1 空穴提取层的研究

2．5．2 电子提取层的研究

第三章 基于HAT-CN空穴提取层的倒置有机太阳能电池器件

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料及溶液配制

3．2．2 器件的制备

3．2．3 器件性能表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 HAT-CN空穴提取层在P3HT∶PCBM有机太阳能电池中的应用

3．3．2 HAT-CN空穴提取层在P3HT∶ICBA有机太阳能电池中的应用

3．4 本章小结

第四章 复合电子提取层应用于有机太阳能电池器件中的研究

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 实验材料及溶液配制

4．2．2 器件制备

4．2．3 器件性能表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 器件结构与性能

4．3．2 薄膜表面形貌与光学性能

4．3．3 界面电学性能

4．4 本章小结

第五章 钙钛矿太阳能电池中界面缓冲层的研究

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 实验材料及溶液配制

5．2．2 器件的制备

5．2．3 器件性能测试与表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 器件结构及工作机理

5．3．2 器件性能

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

致谢