无机载流子传输层的制备及在钙钛矿太阳能电池中的应用

作     者：张玉红 

作者单位：吉林师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨景海;王奉友

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 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 空穴传输层 电子传输层 氧化镍 氧化钨 光电转换效率 

摘      要：钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经得到大幅度的提升,在短短几年之内从最初的3.8%迅速提高至25.2%。载流子传输层作为钙钛矿太阳能电池中的重要组成部分,在实现器件的高效率和长期稳定性方面起着关键作用。有机载流子传输材料因较低的加工温度和简单的制备工艺在钙钛矿太阳能电池中得到了广泛的应用,并获得了较高的器件性能。但有机材料也存在一些缺点,例如价格昂贵、化学性质不稳定等。因此,考虑到成本和器件的长期稳定性,有机载流子传输材料不适合钙钛矿太阳能电池未来的商业化生产。无机载流子传输材料因其高的迁移率和透过率、良好的化学稳定性,成为了一种很好的载流子传输材料。寻找高性能的无机载流子传输材料,制备光电性能优异的薄膜对载流子传输材料发展是十分重要的。本论文主要致力于无机载流子传输材料的制备及其在钙钛矿太阳能电池中的应用研究。主要分为以下三个部分:1.利用磁控溅射技术制备高质量无掺杂的氧化镍(DF-NiO)薄膜,并作为空穴传输层应用于倒置结构的钙钛矿太阳能电池中(电池结构:Glass/FTO/DF-NiO/MAPb I/PCBM/Ag)。系统地研究了不同溅射功率及退火温度对DF-NiO薄膜的Ni含量、表面形貌、结晶性以及光电性能的影响,探讨了其对载流子传输及器件光伏性能的影响规律。最后优化的器件实现了高达17.30%的光电转化效率。2.由于传统的二氧化锡(SnO)电子传输层在旋涂过程中存在针孔,导致严重的载流子复合问题。本研究通过蒸发法引入高迁移率的非晶氧化钨(a-WO),构建a-WO/SnO复合电子传输层,并应用于钙钛矿太阳能电池中。a-WO的加入避免了钙钛矿层与ITO电极的直接接触,有效地抑制了界面复合。而且由于a-WO/SnO复合电子传输层之间形成了级联能级序列,增加了电子传输通道,促进了钙钛矿/电子传输层界面处的载流子传输。最后优化钙钛矿太阳能电池的效率为20.52%。3.由于a-WO在室温下显示出优异的光学和电学性能,创新性的使用蒸发法将a-WO作为电子传输层应用于柔性钙钛矿太阳能电池中。因为a-WO无需后退火处理,从而使得制备工艺极大的简化。a-WO的表面特性对随后制备的钙钛矿层的表面形态、结晶性以及器件性能方面具有重要的影响。通过精细地调节a-WO的材料特性,增强了钙钛矿层的结晶,实现了器件界面复合和电荷传输之间的平衡,并且还对钙钛矿层的生长机制进行了深入的讨论。最后优化的柔性钙钛矿太阳能电池的效率达到了15.85%,而且电池在大气环境中显示出良好的长期稳定性及弯曲稳定性。