原子力显微镜技术在钙钛矿光伏电池中的应用

作     者：路春艳 

作者单位：宁波大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡子阳

授予年度：2019年

学科分类：07[理学] 08[工学] 070205[理学-凝聚态物理] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0702[理学-物理学] 

主      题：原子力显微镜 钙钛矿薄膜 太阳能电池 电流回滞 异质结 

摘      要：有机无机混合卤化物钙钛矿具有优异的光电性能,基于钙钛矿材料的太阳能电池功率转换效率已超过23%,已成为下一代光伏技术中最具有前景的吸光层材料之一。光伏器件中异质结对载流子分离和传输有着重要影响。在钙钛矿光伏电池中,光生自由载流子的产生和分离行为与异质结密切相关,目前急需一种有效方法建立钙钛矿吸光层中电荷转移行为和光伏特性之间的联系。另外在钙钛矿电池中普遍存在电流回滞效应,严重影响电池稳定功率的输出。离子迁移是造成这一现象的主要因素之一。从微观上确立钙钛矿材料中离子运动的迁移路径,并寻找抑制离子迁移的方法是发展稳定功率输出光伏器件的主要途径。本文借助开尔文探针力显微镜和导电原子力显微镜技术建立了微观的钙钛矿吸光层中载流子电荷转移行为和宏观的光伏性能之间的联系。利用导电原子力显微镜和开尔文探针力显微镜微观测量技术,确定了钙钛矿晶界的电流主导着宏观电池中的电流回滞行为。本论文研究内容主要包括以下三个方面:1.研究了富勒烯衍生物PCBM掺杂的钙钛矿体系对电池宏观电流回滞的影响。通过构建有无富勒烯衍生物PCBM掺杂的光伏器件,我们使用HI=(PCE-PCE)/PCE定义滞后因数(HI)。掺杂前后器件的回滞因数从31.2降低到13.1,富勒烯衍生物PCBM掺杂的器件电流迟滞行为显著降低。通过导电原子力显微镜和开尔文探针力显微镜微区扫描技术,确定了钙钛矿层中PCBM的位置和分布,发现局域晶界回滞电流信号是导致宏观光伏器件功率输出不稳定的真正原因。微观晶界和晶粒的瞬态和稳态电流测试表明,掺杂的PCBM位于晶界处可以有效地抑制晶界电流迟滞行为。2.研究了纳米尺度下钙钛矿薄膜中的电荷转移行为与宏观光伏特性之间的关系。构建了三种基于钙钛矿薄膜的异质结,利用原子力显微镜测试技术获得了局部的钙钛矿薄膜的电流值,表面电势差值。研究发现钙钛矿膜的表面电势差值大小和正负极性可以用来分析钙钛矿/接触层异质结界面的载流子转移行为。电势差值大小与载流子转移的多少有关,正负极性与电荷载流子(空穴或电子)转移的种类有关。另外通过比较暗态和光照钙钛矿薄膜表面电势和电流值,发现钙钛矿在这些异质结中的作用取决于接触层的性质。3.研究了吸光层的厚度和光强对光生载流子分离和传输的影响。通过尝试改变钙钛矿前驱液浓度来调整钙钛矿薄膜的厚度,发现表面电势值之间的平均差值和表面平均电流差值随着钙钛矿薄膜厚度的增加而增加。改变不同照射光强,发现表面电势和光电流的值随光强增加而变大,说明了钙钛矿薄膜具有优良的光伏特性。