基于SnO2电子传输层的低温钙钛矿太阳能电池性能研究

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有机-无机杂化钙钛矿薄膜由于具有高的光吸收系数、长的载流子扩散长度、可调节的带隙和相对低的禁带宽度等优点,近年来受到广泛的关注,被应用于各种光电器件的制作,如OLED、光电晶体管、太阳能电池等。在钙钛矿太阳能电池的结构中,电子传输层的存在可以有效促进电子传输,抑制钙钛矿和电子传输层界面电子-空穴对的复合,常见的电子传输层有TiO2、ZnO、SnO2等。传统的电子传输层TiO2电子迁移率低和紫外不稳定性,不是理想电子传输层材料。常用的ZnO具有较高的电子迁移率、透光性好,也被用作电子传输层。但其表面未反应完的羟基易与钙钛矿的甲铵根基团发生反应,导致钙钛矿分解为Pb I2,因此在一定程度上限制了它的应用。SnO2由于和钙钛矿之间合适的能级匹配、在可见光范围内良好的透过率、迁移率高、低温易制备、以及优良的化学稳定性和光稳定性等优点,被视为理想电子传输层的候选者之一。然而低温溶液法制备的SnO2薄膜的电荷传输性能却不如ZnO薄膜。在本文针对SnO2在钙钛矿太阳能电池中的应用,从以下两个方面展开相关的探究:(1)实验设计ZnO/SnO2复合结构作为钙钛矿太阳能电池的电子传输层,有效的利用了ZnO的导电性和钙钛矿材料在SnO2表面的热稳定性,制备了高效率和热稳定好的钙钛矿电池。通过旋涂的次数来控制ZnO层和SnO2层的厚度,优化了双层厚度的器件效率达到了17.02%。FTO/ZnO/钙钛矿、FTO/ZnO/SnO2/钙钛矿、FTO/SnO2/钙钛矿在100℃加热不同时间的光学图像和XRD说明,SnO2的存在明显的提升了ZnO作为电子传输层器件的热稳定性。(2)为了解决SnO2的电荷传输性能差的问题,P被掺杂在SnO2中来提高电子传输层的电荷传输能力,制备高效的钙钛矿太阳能电池。在Sn Cl4.5H2O的异丙醇溶液里加入2%摩尔比的磷酸三丁酯溶液,70℃水浴,制得P掺杂的SnO2前驱体溶液,然后通过旋涂制得薄膜,通过185℃退火获得P掺杂SnO2薄膜。I-V测试表明P掺杂后的SnO2薄膜具有更好的导电性,P掺杂有效的提升了SnO2对电子传输能力。进一步研究发现P掺杂SnO2电子传输材料后,电池效率从17.12%提升到18.81%。器件的开路电压、短路电流、填充因子等都得到了提升。
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