低成本、高性能钙钛矿太阳能电池关键材料制备及器件集成工艺
作为发展最快的光伏技术之一，钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其高功率转化效率(PCE，25.2％)的优势而引起了光伏领域的巨大兴趣，但是成本和稳定性的问题限制了PSCs的商业化发展。碳基钙钛矿太阳能电池(C-PSCs)呈现出低成本和高稳定性的特点，因此成为最有希望解决PSCs两大问题的方案之一。本论文针对C-PSCs中存在的一系列问题，对电池器件的电子传输层(ETL)、钙钛矿层、电极层和集成工艺进行开发优化，以制备出低成本、高性能的PSCs。具体研究内容如下: (1)使用富勒烯(C60)取代常用的TiO2电子传输层，开发出一种结构为FTO/C60/MAPbI3/carbon的无空穴传输材料(HTM)的全碳基PSCs。C60ETL可以提高ETL/钙钛矿界面的电子提取能力，减少界面处的电荷复合和电荷传输紊乱现象，基此集成的全碳基PSCs器件实现了15.38％的光电转换效率。同时，该全碳基PSCs器件在空气中测试20天或者光照测试180小时后，均能保持95％的器件稳定性。进一步，我们使用石墨烯透明电极制备的全碳基PSCs，也实现了12.67％的效率。 (2)使用n型掺杂剂溴化六甲铵(HMB)对C60ETL进行掺杂调控，实现了C60ETL的低温溶液法制备，HMB的掺杂还增强了C60ETL的电子迁移率和电导率。进一步构筑的电池结构为ITO/HMB-doped C60/CH3NH3PbI3/carbon的C-PSCs器件，实现了16.03％的效率，其高于未掺杂的C-PSCs器件(12.22％)。此外，基于HMB-doped C60的C-PSCs器件在空气条件下测试60天后，仍能保持82％的空气稳定性;在持续光照测试338小时后，可保持90％的光稳定性。 (3)将短碳链的2D钙钛矿组分EA引入到3D MAPbI3钙钛矿中，制备出一系列以(EA)2(MA)n-1PbnI3n+1为通式的2D-3D杂化钙钛矿。当取n=20、10和6时，所制备的三种2D-3D杂化钙钛矿的薄膜稳定性相比于3D MAPbI3钙钛矿均得到提升。当取n=6时，结构为ITO/C60/(EA)2(MA)5Pb6I19/carbon的C-PSCs器件实现了11.88％的效率。在器件稳定性测试中，n=6的电池器件在空气条件下测试2160小时后，可保持93％的空气稳定性;在80C加热条件下测试100小时后，可保持80％的热稳定性;持续光照测试300小时后，可保持92％的光稳定性。 (4)将多壁碳纳米管(MWCNTs)掺杂到FAxMA1-xPbIyBr3-y钙钛矿中，在空气条件中制备出钙钛矿薄膜。MWCNTs可以作为模板辅助钙钛矿的结晶，促使其形成致密且大尺寸的钙钛矿晶粒。同时，钙钛矿薄膜的SEM形貌和与水的接触角测试结果表明，少量MWCNTs暴露在钙钛矿薄膜的表面，在一定程度上可以阻止水气对钙钛矿薄膜的侵蚀，从而增强了钙钛矿薄膜的空气稳定性。基于MWCNTs掺杂的FAxMA1-xPbIyBr3-y钙钛矿，在全空气条件下制备得到C-PSCs，其PCEs分别达到16.25％(0.08cm2)和12.34％(1.00cm2)。而且，该C-PSCs器件在空气条件下测试22周后仍能保持93％的器件稳定性。 (5)通过顺序旋涂工艺制备出1D-2D银纳米线-石墨烯(AgNWs-G)复合透明电极，其取代了C-PSCs中昂贵的ITO电极。覆盖在AgNWs薄膜表面的石墨烯降低了电极薄膜的粗糙度，同时石墨烯薄膜的完全覆盖还可以防止AgNWs降解。通过优化，致密光滑的AgNWs-G-2薄膜在透过率达到86％的同时，实现了比ITO(13.5Ωsq-1)更低的方阻(Rs，11.0Ωsq-1)。与原始的AgNWs薄膜相比，AgNWs-G-2薄膜在高温和连续光照条件下，都显示出优异的Rs稳定性。最后，我们制备了结构为AgNWs-G/SnO2/perovskite/carbon的低成本C-PSCs，实现了15.31％的效率和60天88％的空气稳定性。
碳基钙钛矿太阳能电池;空穴传输材料;钙钛矿薄膜;透明电极;集成工艺
北京化工大学
博士
化学工程与技术
陶霞
2020
中文
TM914.4;TM910.5
2020-11-19（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）