界面优化提升PbS量子点太阳能电池性能研究

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近年来,基于PbS胶体量子点的太阳能电池受到人们的广泛关注,其具备较宽的光谱响应,可溶液制备,高稳定性,低成本等优势,并且在较短时间内效率值已经突破12%。但是界面间能带不匹配和量子点间电荷转移受限仍然是影响PbS量子点太阳能电池效率进一步提升的关键问题。为此,本论文基于界面工程策略对导电玻璃(FTO)/ZnO界面和PbS量子点间界面进行优化,通过在FTO/ZnO界面引入PEI偶极层降低了界面接触势垒,通过外压力减小了PbS量子点间距,显著提高了PbS量子点太阳能电池的太阳能转换效率。具体研究内容如下:在FTO电极表面旋涂不同浓度的PEI溶液以制备界面偶极层,进一步旋涂ZnO电子传输层并构造量子点太阳能电池。当PEI溶液的浓度为0.3%时,量子点太阳能电池性能达到最优:Jsc从19.46 mA cm-2提升到23.2 mA cm-2,Voc从0.63 V提升到0.65 V,FF从60.72%提升到64.75%,最高效率可达9.67%,相比于没有PEI修饰的电池效率提升了15%。开尔文探针测试发现FTO/ZnO界面由原来的肖特基接触变为欧姆接触。对电池进行莫特-肖特基测试、光强依赖性测试、暗电流分析表明PEI的嵌入使ZnO/PbS界面处内建电势增强。上述研究表明,PEI界面偶极层的嵌入有助于促进载流子分离和收集并抑制界面处的电荷复合。研究了外压处理(0-2 MPa)对PbS量子点吸光层及太阳能电池性能的影响。发现电池性能与压力处理的压强有关,1.5 MPa压力处理后的电池性能最优,器件效率提升25%以上;量子点吸光层制备后五小时内进行压力处理能提升器件效率。ZnO/PbS双层膜荧光光谱测试及器件Jsc的光强依赖性等表明,压力处理可促进ZnO电子传输层对光生电荷的提取。光电压衰减测试和Voc的光强依赖性测试分析证实了压力处理能延长载流子寿命,抑制界面处的电荷复合。PbS薄膜压力处理前后的荧光发射峰位红移以及导电原子力显微镜测试均表明,压力处理减小了PbS薄膜的量子点间距,提升了PbS薄膜的电荷传输性能。上述研究表明,外压处理是提升量子点太阳能电池性能的有效手段。
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