基于SnO2电子传输层钙钛矿太阳能电池性能提升研究

作     者：朱宏林 

作者单位：景德镇陶瓷大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王艳香

授予年度：2022年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 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 SnO2电子传输层 水热溶剂热 OTS 界面修饰 反溶剂 

摘      要：钙钛矿太阳能电池(Perovskit Solar Cells,PSCs)自2009年首次出现以来,其光电转换效率(Photoelectric Conversion Efficiency,PCE)由3.8%迅速攀升至25.7%。有机-无机杂化钙钛矿材料拥有优异的吸光系数、较长的电荷扩散长度、带隙可控、可溶液加工等性能。SnO电子传输层(Electron transport layers,ETLs)和钙钛矿吸光层在制备时容易产生结晶性差、表面缺陷多等问题。本文采用四种溶剂对SnOETLs进行水热溶剂热处理,使用十八烷基三氯硅烷(CHClSi,Octadecyltrichlorosilane,OTS)对ETLs/钙钛矿层进行界面修饰,采用五种不同的反溶剂萃取钙钛矿层,探究不同工艺对PSCs光电性能的影响。具体的研究内容和结论如下:(1)通过溶胶-凝胶法制备SnOETLs后,研究水热溶剂热对SnO薄膜和PSCs光电性能的影响,处理溶液分别为去离子水、甲醇、乙醇和异丙醇。SnO经水热溶剂热处理薄膜光学透过率得到提升,表面接触角降低,PSCs的光电性能都得到提升。其中水热处理能增大SnO晶粒,降低薄膜粗糙度,提高SnO结晶性,减少缺陷,有利于钙钛矿溶液在ETLs表面铺展,促进钙钛矿层均匀生长,利于电子的收集与传输。基于100℃,3 h水热处理的SnOETLs制备的PSCs表现出最优异的性能,电池的最高PCE为15.48%,开路电压(Open-circuit Voltage,V)、短路电流密度(Short-circuit Current Density,J)和填充因子(Fill Factor,FF)分别为1.09V、19.32 m A/cm和73.18%。(2)采用OTS作为SnOETLs/钙钛矿层间的界面修饰层,研究了不同浓度的OTS修饰时对SnO薄膜、钙钛矿薄膜和PSCs性能的影响。OTS在正己烷中浓度分别为0.05 mol/L、0.1 mol/L、0.25 mol/L、0.5 mol/L。经SEM和EDS测试,OTS可以良好地覆盖在SnO表面,填充表面的孔隙及凹陷,使得薄膜更为平整致密,阻挡钙钛矿层与FTO的直接接触从而导致漏电流。同时OTS中Cl能扩散在钙钛矿溶液中,提升钙钛矿的结晶性,增大钙钛矿的晶粒尺寸,提升钙钛矿层对光的吸收,有效增强电荷的提取和传输。基于浓度为0.1 mol/L的OTS界面修饰后制备的PSCs拥有最高的PCE为15.39%,电池的V、J、FF分别为1.08 V、19.21 m A/cm、73.78%,且电池迟滞系数HI从0.087降低至0.021。(3)采用一步反溶剂法制备钙钛矿层,比较苯甲醚、氯苯、异丙醇、氯苯+乙腈和氯苯+异丙醇作为反溶剂萃取钙钛矿时,对钙钛矿薄膜和PSCs光电性能的影响。SEM测试表明,相比于氯苯,反溶剂苯甲醚和混合反溶剂氯苯+乙腈制备的钙钛矿层的晶粒尺寸和薄膜厚度都得到增长,XRD测试显示出混合反溶剂氯苯加乙腈制备的钙钛矿结晶性最好,薄膜结晶性提升,晶粒尺寸增大,晶界减少,钙钛矿对光的吸收得到增强。使用混合反溶剂氯苯+乙腈制备钙钛矿层,组装成PSCs呈现最佳的光电性能,电池的PCE为14.99%,V为1.09 V,J为19.24 m A/cm、FF为71.15%。