碳基钙钛矿太阳能电池的性能研究

作     者：李家森 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：梁春军

授予年度：2021年

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

主      题：碳电极 钙钛矿 NaCl P3HT DIO 

摘      要：钙钛矿材料具有可调节的带隙、低缺陷密度、高吸光系数和材料成本低的特点,成为目前研究太阳能电池领域的热点。在较短时间内,器件的光电转换效率由3.8%提高到25.5%,发展速度惊人。但是钙钛矿太阳能电池使用的电极为Au、Ag等贵金属材料,不仅成本高而且制备工艺复杂。碳材料具有良好的导电性,功函数与金相近,是替换贵金属作为钙钛矿太阳能电池的替代电极材料之一。碳基钙钛矿太阳能电池虽然具有成本低、工艺简单、可制备柔性器件的特点,但是光电转换效率低于金属电极的电池。本文采用商用导电碳膏作为电池的电极材料,通过丝网印刷的方式制备碳基钙钛矿太阳能电池。优化了传输层的性能,提高器件的光电转换效率和光照稳定性。研究内容包括:(1)使用CsFAMAPb(BrI)为钙钛矿材料,通过两步旋涂法制备薄膜。通过改变薄膜的制备工艺,探究钙钛矿前驱体溶液浓度、旋涂工艺的改变对薄膜质量和器件光电性能的影响。对制备的薄膜进行扫描电子显微镜(SEM)、稳态荧光光谱、紫外-可见光吸收等表征,观察薄膜的表面形貌,1.2 M浓度的薄膜的晶粒质量更高。并将制备的薄膜用于ITO/Sn O/CsFAMAPb(BrI)/C结构的无空穴传输层器件中作为活性层,得到的转换效率为12.72%。在优化转速,调整薄膜的厚度与均匀度之后,效率提高至12.8%。(2)使用上文制备的碳基无空穴的钙钛矿太阳能电池为基础器件,在电子传输层上面旋涂一层Na Cl层,退火。使用SEM观察钙钛矿薄膜表面发现,在晶粒之间存在Na Cl颗粒。通过控制Na Cl水溶液的浓度,探究不同密度的Na Cl对薄膜的影响,测试器件的J-V曲线、暗电流曲线、界面电荷等数据,综合分析为2 mg/ml的Na Cl溶液对器件性能有所提升,开路电压由0.88 v提高至0.91 v,转换效率由13.79%提高至14.38%。(3)在碳基无空穴钙钛矿太阳能电池器件中添加P3HT为材料的空穴传输层,通过在P3HT中添加DIO,探究添加剂DIO的引入对空穴传输层和器件的性能影响。使用原子力显微镜观察,发现使用添加剂DIO的薄膜表面粗糙度降低,改变了表面形貌,从而提高了薄膜质量和平滑度。测试单载流子器件的载流子迁移率,添加了DIO的P3HT对于空穴的传输速率提高。钙钛矿太阳能电池的效率由14.06%提高至15.11%。