低温喷雾热解法制备掺杂型氧化镍薄膜及其在柔性钙钛矿太阳能电池中的应用

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面对未来能源需求的挑战,太阳能是最具前途的可再生能源之一。钙钛矿太阳能电池以其材料本身优异的光电性质和低廉的成本,一跃成为十分具有前景的新兴光伏技术。在过去十年中,钙钛矿太阳能电池的性能呈指数增长,最高光电转化效率已经超过23%[1]。柔性钙钛矿太阳能电池拥有较高的能质比,良好的抗弯折性,价格低廉,可以适用于卷对卷工艺,有潜力投入从背包到无人机各种各样的应用中。然而,钙钛矿太阳能电池制备常涉及高温过程,无法应用到常见的塑料柔性衬底上,并且常用的有机无机杂化钙钛矿材料遇到水氧极易分解,必须通过有效的封装工艺来保证钙钛矿太阳能电池的稳定性。基于此,本文研究一种低温制备掺杂型NiOx薄膜的方法,并以其为空穴传输层利用到柔性钙钛矿太阳能电池的制备中:(1)首先,本文通过燃烧法的引入,降低了通过喷雾热解法制备NiOx薄膜的温度,然后,通过Mg掺杂来提高NiOx薄膜的性能。基于低温的喷雾热解法制备NiOx薄膜表现良好的结晶性、光学透过性和平整性。并且对NiOx进行少量的Mg掺杂(5at%),加深了NiOx的价带边缘位置,促进了NiOx薄膜和钙钛矿薄膜之间的载流子抽取和传输能力。然后,我们将低温喷雾热解法制备的Mg:NiOx应用于结构为Glass/ITO/Mg:NiOx/MAPbI3/PCBM/BCP/Ag的反式钙钛矿太阳能电池中,可以看到,随着Mg掺杂量的增多,器件的开路电压逐步提高,当掺杂量为5 at%时,器件拥有最高的短路电流密度,并且电池效率到达17.68%。(2)将降低制备温度的Mg:NiOx薄膜用于制备基于Mica/ITO衬底的柔性钙钛矿太阳能电池。Mica/ITO衬底表现良好的光透过率,并且相较于塑料柔性衬底表现出更为优秀的耐温性。基于Mica/ITO制备的柔性钙钛矿太阳能电池相较于刚性器件性能虽然有所降低,但是依然获得了1.046 V的开路电压,21.03 mA/cm2的短路电流密度,77%的填充因子和16.9%的光电转化效率。该柔性器件在多次弯折后仍能保持比较高的光电转化效率,并且在封装之后,柔性器件可以在长时间的持续光照和高湿度条件下保有相对较高的稳定性。说明封装后的柔性器件可以有效的外界克服环境对电池的侵蚀,具有长期的物理化学稳定性。
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