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反溶剂工程提升低温溶液法制备的CsPbI3无机钙钛矿太阳能电池性能

反溶剂工程提升低温溶液法制备的CsPbI3无机钙钛矿太阳能电池性能

引用

第八届新型太阳能材料科学与技术学术研讨会

作者：韩兵权张磊徐凌波浙江理工大学

CsPbI无机钙钛矿相比有机-无机复合钙钛矿具有更高的光热稳定性。采用二甲基铵铅碘(DMAPbI)作为前驱体可有效降低CsPbI薄膜的相转变温度,实现低温溶液法制备,因此获得了广泛的关注。然而,基于DMAPbI前驱体一步旋涂法制备的CsPbI薄膜往... 详细信息

CsPbI无机钙钛矿相比有机-无机复合钙钛矿具有更高的光热稳定性。采用二甲基铵铅碘(DMAPbI)作为前驱体可有效降低CsPbI薄膜的相转变温度,实现低温溶液法制备,因此获得了广泛的关注。然而,基于DMAPbI前驱体一步旋涂法制备的CsPbI薄膜往往存在较多的裂缝和针孔,不利于制备高性能的太阳能电池。为此,我们采用反溶剂工程来调控CsPbI薄膜的结晶动力学过程,改善薄膜表面形貌。本工作系统比较了甲苯(Tol)、氯苯(CB)及乙酸乙酯(EA)三种反溶剂处理对CsPbI薄膜表面形貌及相应太阳能电池性能的影响。研究发现,得益于较高的极性与较低的沸点,乙酸乙酯可以更有效地萃取溶剂,促进CsPbI薄膜结晶,形成更均匀致密的薄膜。采用乙酸乙酯反溶剂工程制备的CsPbI钙钛矿太阳能电池最高能量转换效率可以达到8.80%。本工作为调控CsPbI无机钙钛矿薄膜形貌及提高相应太阳能电池性能提供了一种有效的方法。

关键词： CsPbI3无机钙钛矿反溶剂工程钙钛矿太阳能电池低温制备形貌调控

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基于反溶剂掺杂的锡基钙钛矿太阳能电池的性能研究

基于反溶剂掺杂的锡基钙钛矿太阳能电池的性能研究

引用

作者：袁超超南京邮电大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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%。

关键词：反溶剂工程添加剂稳定性钙钛矿太阳能电池

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低温溶液法制备CsPbI3无机钙钛矿太阳能电池

低温溶液法制备CsPbI3无机钙钛矿太阳能电池

引用

作者：韩兵权浙江理工大学

学位级别：硕士

金属卤化物钙钛矿材料具有优异的光电特性,如带隙可调、载流子扩散长度高、光吸收系数高、非辐射复合低,非常适用于制备太阳能电池。在短短的10年时间内,钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells,PSC)的光电转换效率(Photoelectric con... 详细信息

金属卤化物钙钛矿材料具有优异的光电特性,如带隙可调、载流子扩散长度高、光吸收系数高、非辐射复合低,非常适用于制备太阳能电池。在短短的10年时间内,钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells,PSC)的光电转换效率(Photoelectric conversion efficiency,PCE)从最初的3.8%迅速攀升到现在的25.5%,迅速成为能源领域的研究热点。但是目前多数的钙钛矿电池基于有机-无机杂化钙钛矿,其中的有机成分在高温和光照下容易挥发及降解,该问题严重制约了钙钛矿太阳能电池的商业化应用。用无机铯(Cs)离子取代有机阳离子,形成Cs Pb X(I、Br、Cl)无机钙钛矿可以显著提高材料的光热稳定性。在无机钙钛矿太阳能电池中,CsPbI具有最低的带隙(～1.7e V),可以充分利用太阳光谱,发展最为迅速。但是,CsPbI钙钛矿电池薄膜制备工艺相对不成熟,薄膜黑相转变温度较高(>330C),Ti O电子传输层需要高温烧结(450C),故而电池制备过程能耗较高,并限制了其在柔性器件方面的应用。因此开发适用于CsPbI无机钙钛矿太阳能电池的低温溶液法工艺显得尤为重要。针对上述问题,本论文采用了二甲基铵碘化铅(DMAPb I)作为前驱体以降低相转变温度,选用无需高温烧结的SnO纳米晶薄膜作为电子传输层,实现了CsPbI无机钙钛矿太阳能电池的低温溶液法制备。在制备过程中运用反溶剂工程以提高CsPbI薄膜质量,通过对SnO电子传输层掺杂及界面修饰以提高能级匹配、降低界面缺陷,最终成功制备出光电转换效率高达10.46%的CsPbI钙钛矿太阳能电池。除金属电极外,整套工艺流程基于溶液旋涂法,制备温度低于200C,适用于柔性器件,具备大规模产业化的潜力。其主要内容如下:(1)针对溶液法制备的CsPbI薄膜孔洞多、结晶差的问题,引入反溶剂工程来调控钙钛矿薄膜的结晶动力学行为。系统地比较了三种不同反溶剂—甲苯(Tol)、氯苯(CB)、乙酸乙酯(EA)—对CsPbI薄膜形貌结构和光电性能的影响。得益其较高的极性和较低的沸点,绿色反溶剂EA可以实现对钙钛矿前驱体溶剂的有效萃取。EA处理的CsPbI薄膜具有最好的形貌和结晶度,极大地减少了薄膜的晶界缺陷。(2)针对SnO与CsPbI能级不匹配、器件开路电压低的问题,通过将聚乙烯亚胺(PEIE)电解质聚合物与SnO复合,显著降低了SnO的电子亲和势,实现了SnO与CsPbI之间的能级对准。研究发现,PEIE复合可以提高SnO薄膜的电子抽取能力,降低界面复合,从而进一步改善了器件的性能。(3)针对SnO与CsPbI界面质量差、复合严重的问题,引入NaS修饰SnO界面,NaS里面的S可以与钙钛矿薄膜中未配位的Pb作用,形成Pb-S键,钝化缺陷;同时Na也能进入SnO的晶格表面,提高其导电性。两者相互作用,加强了钙钛矿与SnO界面处化学结合,增大钙钛矿的晶粒尺寸,最终提高器件性能。

关键词： CsPbI3无机钙钛矿反溶剂工程钙钛矿太阳能电池低温处理光电转换效率

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嵌入封装型I-钝化对钙钛矿太阳电池性能影响的研究

嵌入封装型I-钝化对钙钛矿太阳电池性能影响的研究

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第七届新型太阳能电池材料科学与技术学术研讨会

作者：杨梅芳张玉红杜金月范琳杨景海杨丽丽王奉友功能材料物理与化学教育部重点实验室吉林师范大学

钙钛矿活性层的质量是决定钙钛矿太阳电池光电转换效率和稳定性的重要因素。在一步反溶剂法制备钙钛矿时,较难实现结晶质量与Pb缺陷态的全面调制。因此,我们开发了一种嵌入封装型I钝化策略,该策略可以制备具有高稳定性、高度结晶、少缺... 详细信息

钙钛矿活性层的质量是决定钙钛矿太阳电池光电转换效率和稳定性的重要因素。在一步反溶剂法制备钙钛矿时,较难实现结晶质量与Pb缺陷态的全面调制。因此,我们开发了一种嵌入封装型I钝化策略,该策略可以制备具有高稳定性、高度结晶、少缺陷MAPbI钙钛矿薄膜。通过诱导钙钛矿快速成核缓慢结晶,并延长钙钛矿生长过程中的Ostwald熟化时间,提高薄膜结晶度。此外,I与薄膜中不饱和的Pb悬挂键形成高配位的PbI,降低了薄膜的缺陷态密度。通过DFT计算发现,碘钝化之后缺陷能级的强度和深度都有所降低。通过反溶剂裹挟法揭示了I对钙钛矿薄膜表面形貌及结晶性的影响机制,阐明了I钝化配位不足的Pb悬挂键机理及钙钛矿薄膜的生长动力学过程。由于提高了矿薄膜的结晶度,降低了缺陷态密度,提升了疏水性,最佳器件的光电转换效率达到了21.33%,且未封装器件在45%湿度环境中表现出良好的稳定性。这些结果为研究卤化物离子平衡进而实现缺陷钝化提供了一种简单有效的方法,可广泛用于制备高质量的钙钛矿薄膜。

关键词：钙钛矿太阳电池反溶剂工程缺陷钝化结晶质量

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