光场管理原理及在聚合物基倒置钙钛矿电池中的应用

作     者：徐寸云 

作者单位：西南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋群梁

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：钙钛矿太阳能电池 倒置结构 光学匹配 干涉 反射 

摘      要：有机-无机杂化钙钛矿材料是本世纪初人类探寻到的第一种具有极高光吸收系数,理想且可调的禁带宽度,仅需要几百纳米即可将光照全部吸收的光电材料。同时由于其载流子迁移率高、扩散长度长,杂质容忍度远高于其他半导体材料等一系列优异的半导体特性。以钙钛矿材料为吸收层的太阳能电池在十年左右的发展中,实验室光电转换效率已经从3.8%跃变到25%以上。以三明治堆垛为基本结构的钙钛矿太阳能电池已成为本世纪受全世界关注的明星材料之一。目前,以金属氧化物(TiO、SnO)电子传输层为基底的正置结构由于制备工艺复杂,需要高温退火,氧掺杂,不能用于柔性器件,且器件迟滞,紫外稳定性均较差等因素影响,正置结构产业化将面对巨大的挑战。相较而言,以导电聚合物(PEDOT:PSS、PTAA)空穴传输层为基底的倒置结构满足制备简单,不需掺杂,可用于柔性器件,无迟滞等固有优势,是产业化的理想结构。然而,倒置器件的实验室光电转换效率相对较低。据报道,同样制备工艺获取的钙钛矿吸收层,最终器件开路电压和填充因子基本相同,短路电流相差较大。由钙钛矿太阳能电池器件工作基本原理,短路电流受光吸收率,载流子传输与复合,入射光损失等共同影响。研究表明,太阳能电池作为光电转换的主要装置,因具有典型三明治结构且各层厚度均在纳米级别,容易在膜内出现干涉。因此,入射光损失是钙钛矿型太阳能电池能量遗失的主要途径之一。本论文主要以PEDOT:PSS和PTAA两种导电聚合物空穴传输层为光入射侧材料,探究聚合物基钙钛矿太阳能电池光入射侧能量损失,并探寻对应解决方案。研究内容包括以下三个方面:1、基于传输矩阵和试验数据建立模型并进行循环校正,探究光学管理的理论。本研究中介绍了一种由实验到光学模拟,再指导试验的基本循环,主要解决当前聚合物基倒置钙钛矿电池光学管理的方法和理论。实验中,一方面采用测定的各材料光学常数建立基础模型;另一方面,经反复试验成功制备了一系列具有较高转换效率的聚合物基钙钛矿太阳能电池样品。依据实验结果与模拟结果曲线峰值一一对应的判定标准,多次校正模型。利用校正后的模型开展了各层的干涉,多个界面微结构增强电池光捕获能力等多方面的模拟探索。计算结果表明,聚合物膜层厚度会在极大程度上引起干涉现象,聚合物层越薄,钙钛矿吸收越有利;聚合物/钙钛矿界面微结构的改变将引起钙钛矿吸收的明显提升,最高可达入射光通量的95%。2、自组装单层聚合物削弱钙钛矿电池中的光干涉。根据模拟计算结论之一,聚合物层越薄,钙钛矿吸收越强。本实验将PEDOT:PSS聚合物在ITO表面进行自组装,成功制备了全覆盖,厚度均匀的单层PEDOT:PSS膜。实验测得器件的EQE与光学模拟结果对应,论证了自主装单层PEDOT:PSS薄膜在光学方面的优异表现。最后本实验将效率由15.64%提升到18.91%,开路电压超过1.13 V。证明自主装工艺是解决PEDOT:PSS膜厚度与形成稳定界面的有效方法。3、聚合物织构协调钙钛矿电池中的光学结构匹配。根据模拟计算结论之一,聚合物/钙钛矿界面微结构的改变将引起钙钛矿吸收的明显提升。本部分主要介绍本实验在钙钛矿电池内部设计了聚合物织构界面并成功应用,最终获得了目前倒置器件的最高效率。此织构结构首次应用在钙钛矿太阳能电池中,直接且作用在钙钛矿入光侧。UV-Vis结果表明器件吸收的明显增强,PL,TRPL,TPV/TPC等结果显示电荷提取与传输贡献基本可以忽略。论证了织构界面提升了钙钛矿电池的光捕获能力,最后将电池效率提升由18.3%提升到21.6%。