磁控溅射法制备NiO_x空穴传输材料及其在钙钛矿太阳能电池中的应用

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有机无机卤化物杂化钙钛矿材料具有较高吸收系数和载流子迁移率、带隙可调、制备简单等优点,几年内钙钛矿太阳电池(PSC)光电转效率已突破22%,显示出巨大发展前景。降低成本、提高稳定性是实现PSC商业应用急需解决的问题。反型结构的PSC常用PEDOT(3,4-乙烯二氧噻吩单体):PSS(聚苯乙烯磺酸盐)空穴传输材料(HTM),其酸性会腐蚀透明电极,并有吸湿性会加快钙钛矿分解从而严重影响器件的稳定性。因此用性质稳定的价廉无机P型宽禁带NiOx来替代PEDOT:PSS,是一种良好的选择。本文采用磁控溅射的方法制备NiOx并应用于反型PSC中,主要完成了以下工作:(1)采用PEDOT:PSS材料制作出倒置型结构的PSCs,研究光吸收层的退火温度、电子传输材料的浓度对其光伏性能的影响,优化PSC制备工艺。研究表明光吸收层在120℃下退火,使用30mg/mL的[6,6]-苯基-C61-丁酸异甲酯(PC61BM)溶液得到PSC的光电转换效率最高为14.66%。(2)在室温下,分别采用射频和直流功率源在纯O2中溅射Ni靶获得NiOx材料,发现所得到的NiOx薄膜具有较低的电阻率和高光透过率,适合作为HTM。研究功率对NiOx的沉积速率和光电性能的影响,发现在射频模式100 W功率下NiOx的电阻率最低,直流功率下得到的NiOx呈现接近的透光性和更高电阻率。(3)溅射制备的NiOx作为HTM应用到PSC中,由于电阻率小,载流子传输能力佳,射频100 W下溅射的NiOx应用在PSC获得了最高光电转换效率为16.3%,磁滞效应可忽略。而用直流模式制备NiOx的电池平均转换效率为12%左右。溅射NiOx的PSC39天后仍有60%以上的初始转换效率,对比于基于PEDOT:PSS的电池显示出非常好的稳定性。本文低温溅射制备的NiOx有良好的空穴传输能力,工艺简单,在柔性电池上有广阔的应用前景。但其导电性能不够高,可能限制电池的光电转换效率,后续可通过掺杂或界面修饰的方法对其进行改善,以求在应用的器件性能上有更大提升。
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