CH3NH3PbI3钙钛矿材料改性与太阳能电池制备及光伏性能研究

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有机-无机钙钛矿材料ABX3(A=CH3NH3(MA,B=Pb,Sn,X=I)具有光电转换效率高、成本较低等优势,受到了学术界及产业界的广泛关注。钙钛矿层薄膜质量的提高是钙钛矿太阳能电池性能提升的关键因素。因此,本文的主要工作为对钙钛矿层薄膜的质量的优化。通过添加敏化剂、使用掺杂剂等方式改善钙钛矿吸光层的质量。主要采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜显微镜(SEM)、紫外可见吸收光谱(UV-vis)、荧光发射(PL)光谱以及J-V表征等检测手段系统探究所制备样品的形貌、光学性能与电池性能。主要开展以下几个方面的研究工作:(1)SnS(硫化亚锡)量子点(Quantum dots,QDs)敏化钙钛矿太阳能电池:采用回流法合成SnS QDs,采用一步旋涂法制备CH3NH3PbI3(MAPI)钙钛矿层,构建结构为FTO/Ti O2/SnS QDs-MAPI/Carbon的钙钛矿太阳能电池器件。研究发现,采用SnS QDs敏化CH3NH3PbI3钙钛矿后,钙钛矿薄膜形貌得到了明显改善,晶界减少,尺寸约为1.5μm,且吸光性能良好。SnS QDs敏化钙钛矿降低了钙钛矿的电荷复合率,实现更有效的电荷提取。与未敏化SnS QDs的电池相比,其器件效率提高约59%。(2)CdxSn(1-x)S敏化钙钛矿太阳能电池:利用回流法制备CdxSn(1-x)S合金量子点,将其加入MAPI钙钛矿前驱体溶液中,得到CdxSn(1-x)S-MAPI的钙钛矿前驱体溶,从而构建一种结构为FTO/Ti O2/CdxSn(1-x)S-MAPI/Carbon的无空穴层的钙钛矿太阳能器件。通过调整Cd2+:Sn2+的掺杂比例制备具有较大晶粒、更少针孔的钙钛矿薄膜,可以提高电子传输层/钙钛矿界面的电子提取能力,减少界面处的电荷复合,从而使电池的光电性能得到提高。结果表明,加入Cd S制备的PSCs的光电转换效率(Photoelectric conversion efficiency,PCE)为2.79%,加入SnS制备的PSCs的PCE为3.47%,而加入CdxSn(1-x)S(x=0.50)合金制备的PSCs的PCE为5.84%,提高了约52%,实现光伏性能的优化。(3)SnS QDs敏化MAPb1-xSnxI3太阳能电池:在单组分钙钛矿薄膜MAPI的基础上引入Sn I2制备Pb-Sn双组份钙钛矿,用SnS QDs敏化Pb-Sn双组份钙钛矿,用SnS QDs敏化Pb-Sn双组份钙钛矿,通过一步溶剂法制备多组分钙钛矿薄膜SnS QDs-MAPb1-xSnxI3。本章研究可知,在MAPI前驱体溶液中引入Sn I2可以调控钙钛矿溶液的结晶过程,从而提高钙钛矿的晶体质量,降低钙钛矿的晶体缺陷,进而抑制器件中的载流子复合。未掺入Sn I2前PSCs的光电转换效率为7.68%,而掺入Sn I2(x=8%)后其效率达到11.94%,且获得了66%的填充因子(Fill factor,FF)。结果表明通过调整Pb2+:Sn2+的掺杂比例可以充分发挥不同离子掺杂的优势,获得缺陷更少,质量更高的钙钛矿薄膜。
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