基于SnO空穴传输层的CsPbI3钙钛矿太阳电池的制备

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有机-无机钙钛矿材料具有卓越的光电特性,其太阳电池(PSCs)的光电转换效率(PCE)已媲美传统的晶硅太阳电池。但要实现电池的商业化应用仍存在着诸多挑战:一方面,常用的有机空穴传输材料(HTLs)具有高的成本和低的稳定性,需要选择合适的无机材料进行替代;另一方面,当前的有机-无机杂化钙钛矿材料自身的湿、热稳定性差,影响了器件的性能。为此,全无机PSCs的研究迅速成为热点,Cs Pb I3为其中的佼佼者。而要获得高效的Cs Pb I3基PSCs,需要解决Cs Pb I3材料自身的相不稳定性问题,并开发能级与之相匹配的载流子传输材料。本论文首先采用电子束蒸发法制备了p型Sn O薄膜,研究了沉积参数和退火条件对薄膜性能的影响;接着,采用溶液法制备了Cs Pb I3薄膜,重点分析了PVP添加剂对薄膜稳定性的影响;最后,以Sn O为HTLs构筑了Cs Pb I3太阳电池,通过理论和实验分析了电池的特性。本论文主要包括以下几个部分:(1)Sn O薄膜的制备及性能分析。升高衬底温度或实施真空退火,均可获得p型Sn O薄膜。衬底温度为400℃时,薄膜的空穴迁移率为1.27cm2·V-1·s-1,且呈(001)晶向择优生长。随着生长时间的延长,薄膜由纳米堆积结生长转变为纳米片生长。当在空气气氛下退火时,随着退火温度的升高,Sn O薄膜导电类型逐渐由p型转变为n型;当退火温度达到500℃后出现Sn O2杂相。(2)添加剂对Cs Pb I3薄膜稳定性的影响。纯的Cs Pb I3薄膜的相变温度为330℃,在空气中迅速相变为非钙钛矿相;添加5%的Ca I后,在163℃的退火温度下形成黑色的亚稳相,188℃时又转变为黄相;添加66?l的HI溶液的Cs Pb I3薄膜的相变温度降至100℃,在湿度为60-70%的空气中可稳定存在一定时间;添加PVP的Cs Pb I3薄膜的相变温度为140℃,且随着PVP添加浓度的增加,Cs Pb I3薄膜在空气中的钙钛矿相稳定性增强。(3)平面Cs Pb I3电池的制备和性能研究。理论模拟结果表明p型Sn O薄膜的价带与Cs Pb I3光吸收层的价带比较匹配,有利于空穴的引出,可获得高的PCE。而实验制备的反型平面Cs Pb I3基PSCs,由于吸收层内有大量PVP的残余,使电池的串联电阻增大,不利于光生载流子的传输,故JSC很小。但由于PVP对晶粒表面的钝化,使表面复合降低,电池的VOC比较高。
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