基于反溶剂掺杂的锡基钙钛矿太阳能电池的性能研究

作     者：袁超超 

作者单位：南京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曾文进

授予年度：2023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：反溶剂工程 添加剂 稳定性 钙钛矿太阳能电池 

摘      要：钙钛矿太阳能电池作为清洁和可再生能源的新星之一,在过去的几十年里引起了人们的广泛关注。铅基钙钛矿太阳能电池的光电转换效率(PCE)在短短10年内就从3.8%提高到了25%以上。为了使钙钛矿太阳能电池更加环保,研究了用锡等无铅金属来取代铅作为光吸收材料。其中FASnI钙钛矿材料具有合适的光带隙、低激子结合能和高载流子迁移率,是一种非常有前途的光伏候选材料。然而与基于铅的器件相比,目前基于FASnI钙钛矿的器件性能还有差距。主要由于自掺杂作用,Sn很容易被氧化为Sn。另外,FASnI钙钛矿薄膜的结晶过程过快,容易导致晶粒尺寸过小,同时在薄膜中引起很多缺陷。反溶剂工程作为界面工程中的一种,通过在反溶剂中引入添加剂修饰钙钛矿表面,从而提高器件性能。基于此,本论文从反溶剂工程出发,在反溶剂中引入合适的添加剂,从而提升锡基钙钛矿太阳能电池的光电转化效率。具体实验内容如下:(1)在反溶剂氯苯中掺杂聚9-乙烯基咔唑(PVK),通过钝化缺陷,提高薄膜质量,减少载流子复合,提升器件性能。在FASnI薄膜表面原位沉积一层聚合物层,PVK聚合物层不仅可以促进FASnI钙钛矿晶粒的生长、减少缺陷,而且有助于载流子传输。在引入最佳浓度PVK(5 mg/m L)改进后的器件PCE提高到为6.81%,Voc为0.48 V,Jsc为22.68 m A/cm,FF为62.03%。此外改进后的器件还表现出稳定性的提高。(2)在反溶剂氯苯中掺杂乙醛肟(AO),通过抑制氧化,增大晶粒尺寸,提升薄膜结晶度,实现光电转换效率和稳定性的提高。AO中的肟基团(=NOH)能作为还原剂,有效中和氧分子抑制氧化且与Sn发生作用抑制缺陷形成,从而降低薄膜缺陷密度。引入最佳浓度AO(5%)FASnI器件的PCE从5.10%增加到7.65%且迟滞效应明显减弱。通过UPS测量改进后钙钛矿薄膜的VB从-6.11 e V提升至-5.92 e V,表明薄膜与PEDOT:PSS空穴传输层之间的能级更加匹配。此外在充氮气手套箱中连续测试1200小时,改进后器件的PCE仍有80%,表现出优异的稳定性。(3)在反溶剂氯苯中掺杂硅酸四乙酯(TEOS),通过锚定钙钛矿溶液中的铵盐,提高铵盐的稳定性,提升器件性能。TEOS中的醚键能够锚定钙钛矿溶液中的铵盐,抑制后续铵盐不离开钙钛矿晶格,并且还能与Sn配位,有效改善FASnI薄膜的质量,从而提升器件的性能。在最佳浓度的TEOS(5%)处理,改进后的薄膜结晶度提高,紫外吸收增强,缺陷减少,抑制载流子复合。最佳性能器件的Voc,Jsc和FF参数分别提高到0.46 V,22.72 m A/cm和60.25%,最高光电转换效率为6.23%。