钙钛矿太阳能电池中无机空穴传输材料的掺杂调控研究
太阳能因分布广泛、储量丰富、清洁无污染等优点，被视为最具应用前景的可再生能源之一，充分利用太阳能有望满足人类持续增加的能源需求。太阳能电池是最常见的太阳能利用器件，能够在太阳光辐照下实现光能向电能的即时转换。虽然硅基太阳能电池已经实现产业化，但其发电成本与传统化石能源相比仍然偏高，限制了太阳能电池的广泛应用。钙钛矿太阳能电池（PSCs）诞生仅仅十余年时间，其认证太阳光转换效率就已经达到25.7%，接近硅基太阳能电池的性能。另外，PSCs可以采用溶液工艺制备，在生产成本方面具有优势，有望成为低成本光伏器件的解决方案。 空穴传输层是PSCs的重要组成部分，具有收集空穴、阻挡电子、抑制界面复合的重要作用。由于有机材料的分子结构容易调控并且溶解性良好，可以采用简单的溶液工艺成膜，成为PSCs的主要空穴传输材料。但有机材料的合成和提纯困难，生产成本较高。此外，在光照条件下，有机空穴传输材料极容易分解，对器件长期稳定性不利。无机空穴传输材料具有生产成本低和材料稳定性高的优点，但在性能方面与有机空穴传输材料仍存在一定差距，因此深入研究无机空穴传输材料具有重要意义。本论文从开发高性能、低成本的无机空穴传输材料角度出发，采用水热合成方法制备了三种无机空穴传输材料，通过掺杂手段对其性能进行调控，并组装了反式结构PSCs。本论文的主要内容如下： （1）Ga2O3是一种超宽带隙半导体材料，但很少被用作PSCs的空穴传输层，原因是Ga2O3/钙钛矿界面存在明显的能级失配。我们通过水热方法制备了铜掺杂Ga2O3（Ga2O3:Cu）纳米晶，并首次将其用作PSCs的空穴传输材料。结果表明，铜掺杂能显著提高Ga2O3空穴传输层的性能，器件效率由7.6%提高到19.5%。器件性能的改善归因于铜掺杂引入的杂质能级与钙钛矿层的价带能够良好匹配，为空穴提供了额外的传输通道，从而有效地提取空穴并抑制复合。该工作提出了Ga2O3:Cu空穴传输层利用杂质能级传输空穴的新机理，展示了杂质能级作为空穴传输通道的可行性，提供了一种新型空穴传输材料的设计思路。 （2）杂质能级传输通道的调控是进一步提升Ga2O3:Cu空穴传输层性能的关键。我们用水热方法制备了铜掺杂InxGa2-xO3（InxGa2-xO3:Cu）纳米晶作为PSCs的空穴传输材料，与Ga2O3:Cu纳米晶相比，引入In3+离子可以调控带隙中杂质能级位置和空穴传输能力。在优化条件下，器件的电荷提取过程和载流子复合过程获得显著改善，器件效率由19.6%提高到21.4%。这项工作为PSCs提供了一种高效无机空穴传输材料，并展示了杂质能级空穴传输通道的调控方法。 （3）采用水热方法制备了铜掺杂氢氧化镧（La(OH)3:Cu）纳米棒，并作为PSCs的空穴传输材料。由于La(OH)3的空穴传输能力有限，很少被用做PSCs的空穴传输材料。通过研究发现，Cu2+离子掺杂能有效改善La(OH)3的空穴传输能力。同时，界面空穴提取能力也明显提高。另外，扫描电子显微镜和X射线衍射实验表明，Cu2+离子掺杂可以促进钙钛矿吸光层中晶粒的生长过程，有利于抑制载流子复合。在优化的Cu2+离子掺杂浓度下，器件效率可以从11.3%提升至20.4%。这项工作首次展示了氢氧化物作为PSCs空穴传输材料的可行性，为空穴传输层拓宽了材料选择范围。
钙钛矿太阳能电池;无机空穴传输材料;掺杂改性;杂质传输通道;水热合成
吉林大学
博士
原子与分子物理
刘喜哲
2023
中文
TM914.4
2023-08-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）