钙钛矿电池新型电极的制备及性能研究

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在近些年中,钙钛矿电池因其独特的光电特性而一直是科学研究的热点之一,目前最高的认证效率已经达到了25.2%。钙钛矿电池的结构组成一般为基底/阳极/空穴传输层/钙钛矿活性层/电子传输层/阴极。常用的阳极一般是ITO或FTO,而常用的阴极是Au、Ag、Al等。ITO和FTO这两种透明导电玻璃制作方法复杂、成本较高,一般通过磁控溅射来制备。Au、Ag、Al等阴极材料不仅价格不菲,而且还会出现反向移动进而与钙钛矿活性层发生反应的现象,因此限制了钙钛矿电池的光伏性能和稳定性的提高。本文首先比较了不同反溶剂对钙钛矿电池的影响,然后制备了锡铋合金、二维材料MXene,将其作为倒置钙钛矿电池的电极。研究内容如下:(1)研究了四种反溶剂(甲苯、氯苯、叔丁醇、乙酸乙酯)对钙钛矿太阳能电池的影响。制备了结构为ITO/PEDOT:PSS/MAPb I3/PCBM:BCP/Ag的倒置器件,通过PL、TRPL、UV-vis、SEM、EIS等测试比较了对应器件的性能,进而得出最佳的反溶剂。实验结果表明:当反溶剂为乙酸乙酯时,薄膜结晶性较好,无明显杂质,晶粒大小均匀、致密,载流子寿命长,电荷传输电阻较小,器件具有最佳的光伏性能和环境稳定性。(2)研究了碳化钛作为钙钛矿太阳能电池电极的影响。通过氢氟酸刻蚀的方法合成了Ti3C2Tx,并用XRD、SEM、Raman证明了Ti3C2Tx的成功制备,然后用Ti3C2Tx分别作为钙钛矿太阳能电池的阳极和阴极。首先在玻璃基底上旋涂Ti3C2Tx悬浮液,得到Ti3C2Tx透明阳极,用光学显微镜、UV-vis、接触角测量仪等进行了测试,然后制作成倒置钙钛矿太阳能电池。还将Ti3C2Tx粉末配制成导电浆料,然后利用热压的方法将其作为电池的背电极。由于Ti3C2Tx易氧化、Ti3C2Tx悬浮液浓度小、在玻璃上的附着性不好等原因,器件性能较差。(3)研究了银和锡铋合金共同作为钙钛矿太阳能电池的阴极的影响。通过高温熔融的方法制备了Sn42Bi58合金,并用金相显微镜、XRD、SEM、DTA、XPS等测试手段对合金进行了表征。随后制备了以Ag和Sn Bi为背电极的倒置钙钛矿太阳能电池,采用EIS、IPCE、SEM、WF等方法进行了测试。结果表明:当背电极为20 nm Ag+80 nm Sn Bi时,器件PCE=13.52%,JSC=22.89 m A/cm2,VOC=0.88 V,FF=0.68。Ag/Sn Bi这种双层电极的结构,能够降低界面传输势垒,加快载流子的移动,提高短路电流密度。稳定性测试也表明具有双层电极的器件稳定性要好。
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