三元无机半导体材料的合成及在钙钛矿太阳电池中的应用

摘要

自2009年以来，经过短短数年的发展，以有机-无机杂化钙钛矿材料为吸光层的钙钛矿太阳电池的光电转化效率得到了飞速的上升，从最初的3.8％增加到了22.7％，充分展现出了其巨大的应用前景。
　　钙钛矿太阳电池主要由电子传输层、钙钛矿吸光层和空穴传输层等组成。在前期研究过程中发现，导致钙钛矿太阳电池不稳定的因素较多，各功能层的材料及结构均会对稳定性造成影响。为了增加太阳电池的稳定性，我们从对其影响较大的电子传输材料和钙钛矿材料本体入手，开展了一系列的研究:(1)在电子传输材料方面，对于电池光照稳定性能造成较大影响的原因在于常用的钙钛矿电子传输材料TiO2具有很强的光催化性能，会诱导钙钛矿吸光材料的光降解。针对该问题，论文首次提出使用三元无机钙钛矿型氧化物锡酸钡BaSnO3(BSO)代替原有的TiO2介孔电子传输材料。利用锡酸钡优良的光电性能，以及具有低催化活性、高电迁移率和无需相变的特点，通过合成出高分散的BSO纳米颗粒浆料并制各出优良的BSO介孔电子传输层，成功制备了与传统钙钛矿太阳电池光伏性能相似的BSO钙钛矿太阳电池，证明了使用三元无机半导体材料代替原有电子传输材料的可行性。之后利用BSO易于通过修饰成分和掺杂等方式调制改变自身的光学和电学性能的特性，将掺镧锡酸钡La-BaSnO3(LBSO)作为电子传输材料应用于PSCs中。所制备出的新型LBSO钙钛矿太阳电池实现了在不牺牲器件光伏性能的前提下有效地提高了钙钛矿太阳电池的光照稳定性。(2)从钙钛矿吸光材料本身来说，该类材料尤其是经典的碘铅甲胺CH3NH3PbI3材料具有较不稳定的化学性质，对光、热、湿度等条件均非常敏感，易降解。而化学性能较稳定且无毒无污染的铋基钙钛矿吸光材料是具有研究价值的新型钙钛矿材料。通过使用一种简单易操作且制备条件温和的溶剂调控法制备三元无机钙钛矿材料碘铋铯Cs3Bi2I9，相比于传统的制各方法有效地改善了薄膜形貌，获得了较高的器件效率以及良好的长期稳定性能。除了钙钛矿型的吸光材料外，通过参考和分析钙钛矿吸光材料和器件的光电性能、能带结构以及电荷传输机理等性质，筛选并合成了新型三元无机吸光材料硫锡银Ag8SnS6(ATS)，该材料光电性能优秀并且无毒无污染，化学稳定性好。基于ATS的电池器件展现出了具有发展潜力的光电转化效率以及卓越的长期稳定性能。
　　本文主要通过对钙钛矿太阳电池中原有的功能材料造成的电池缺陷和稳定性问题进行分析研究，筛选、合成和使用性能优异的三元无机半导体材料代替电池中的原有功能材料，针对性地解决钙钛矿太阳电池的稳定性差、有毒有污染等问题。这些研究改善了钙钛矿太阳电池中受到原有功能材料限制的问题，并可以为新型功能材料在钙钛矿太阳电池中的应用提供指导和思路。