通过修饰电子传输层提高钙钛矿太阳能电池的性能研究

【摘要】：钙钛矿太阳能电池由于其持续快速增长的高效率、低成本、工艺简单以及可实现柔性器件等优点,越来越受到研究者的关注,已经成为了最热门的研究领域之一。目前提高钙钛矿太阳能电池的能量转换效率的方法主要包括改善钙钛矿活性层的结晶、新型钙钛矿材料的合成、钙钛矿活性层薄膜微观形貌的调控以及电子或空穴传输层的修饰等。本论文集中于通过对反型钙钛矿太阳能电池常用的PCBM电子传输层进行修饰提高电池的能量转换效率,主要开展了下面两方面工作： (1)首次将双亲性的表面活性剂油酸酰胺(oleamide)掺杂到PCBM电子传输层,显著地提高了反型钙钛矿太阳能电池的性能。在oleamide掺杂量为5wt%的优化条件下,基于oleamide:PCBM的电池的能量转换效率达到12.69%,相比于未掺杂oleamide的参比电池(10.05%)提高了26%。分析表明能量转换效率的提高主要归因于填充因子(由61.8%提高至69.3%)和短路电流(由17.08mA/cm2提高到18.76mA/cm2)的提高。对钙钛矿活性层薄膜表面形貌的表征表明oleamide的掺杂提高了PCBM电子传输层在钙钛矿薄膜上的覆盖程度,从而有利于改善钙钛矿层与Ag电极之间的界面接触。电化学交流阻抗谱的测试证明oleamide的掺杂有效地抑制了电子-空穴对在钙钛矿光活性层与Ag电极之间界面处的复合,从而大幅度地提高了电子的收集效率。 (2)通过将水溶性非共轭聚合物聚乙烯吡咯烷酮(PVP)旋涂在PCBM电子传输层上,提高了反型钙钛矿太阳能电池的性能。在优化的PVP旋涂条件下(在异丙醇溶剂中浓度为1mg/mL、旋涂转速为3000rpm),基于PVP修饰的PCBM电子传输层的电池器件的能量转化效率从未引入PVP的参比电池的9.07%增加到11.98%,提高幅度高达32%。能量转换效率的提高主要归因于短路电流和填充因子的提高,提高幅度分别为10%和16%。紫外可见吸收光谱测试表明PVP的引入对钙钛矿光活性层的吸收不产生影响,因此能量转换效率的提高与光活性层的吸收变化无关。具体的效率提高机理仍需进一步的深入研究。 【关键词】：钙钛矿太阳能电池 电子传输层 PCBM 表面活性剂 油酸酰胺 聚乙烯吡咯烷酮 能量转换效率
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-35
• 1.1 引言11-13
• 1.2 钙钛矿太阳能电池的原理13-16
• 1.2.1 钙钛矿材料的结构与性质13-14
• 1.2.2 钙钛矿太阳能电池的原理14-16
• 1.3 钙钛矿太阳能电池的发展历程以及研究现状16-22
• 1.3.1 正型钙钛矿太阳能电池的发展历程17-20
• 1.3.2 反型钙钛矿太阳能电池的发展历程20-21
• 1.3.3 钙钛矿太阳能电池的国内外研究现状21-22
• 1.4 钙钛矿太阳能电池的材料与器件制备22-26
• 1.4.1 光活性层23-24
• 1.4.2 空穴传输层24-25
• 1.4.3 电子传输层25
• 1.4.4 电极材料25-26
• 1.5 钙钛矿太阳能电池的等效电路以及性能参数26-28
• 1.5.1 等效电路26-27
• 1.5.2 电池的主要性能参数27-28
• 1.6 本文的研究思路与主要内容28-30
• 参考文献30-35
• 第二章 基于不同溶剂处理钙钛矿前驱体的反型钙钛矿太阳能电池的制备工艺优化35-44
• 2.1 引言35-36
• 2.2 反型钙钛矿太阳能电池的制备及测试36-38
• 2.2.1 原料与试剂36
• 2.2.2 反型钙钛矿太阳能电池的制备工艺36-37
• 2.2.3 反型钙钛矿太阳能电池的测试表征37-38
• 2.3 基于不同溶剂的反型钙钛矿太阳能电池的性能比较38-42
• 2.3.1 电池器件性能38-39
• 2.3.2 钙钛矿薄膜的结晶性和光学性质39-40
• 2.3.3 钙钛矿薄膜的形貌40-42
• 2.4 本章小结42-43
• 参考文献43-44
• 第三章 通过油酸酰胺掺杂PCBM电子传输层提高反型钙钛矿太阳能电池的性能44-63
• 3.1 引言44-45
• 3.2 实验部分45-47
• 3.2.1 实验药品45
• 3.2.2 电池器件的制备工艺45-47
• 3.2.3 测试表征47
• 3.3 结果讨论47-59
• 3.3.1 基于油酸酰胺掺杂的PCBM电子传输层的反型钙钛矿太阳能电池的性能47-54
• 3.3.1.1 不同掺杂量的油酸酰胺对反型钙钛矿太阳能电池的影响47-49
• 3.3.1.2 5%最优掺杂量的油酸酰胺对反型钙钛矿太阳能电池的性能影响49-54
• 3.3.2 油酸酰胺掺杂对薄膜光吸收的影响54-55
• 3.3.3 油酸酰胺掺杂对薄膜形貌的影响55-57
• 3.3.4 通过交流阻抗谱研究油酸酰胺掺杂对电池器件界面的影响57-59
• 3.4 本章总结59-60
• 参考文献60-63
• 第四章 通过旋涂PVP修饰PCBM电子传输层及对反型钙钛矿太阳能电池性能影响63-73
• 4.1 引言63
• 4.2 实验部分63-65
• 4.2.1 实验药品63-64
• 4.2.2 电池器件的制备工艺64-65
• 4.2.3 测试表征65
• 4.3 结果讨论65-70
• 4.3.1 基于PVP修饰的PCBM电子传输层的反型钙钛矿太阳能电池性能66-68
• 4.3.1.1 不同溶剂旋涂的PVP界面层对反型钙钛矿太阳能电池的影响66-67
• 4.3.1.2 不同浓度PVP的异丙醇溶液旋涂的界面层对反型钙钛矿太阳能电池的影响67-68
• 4.3.2 PVP修饰对钙钛矿薄膜光吸收的影响68-69
• 4.3.3 PVP修饰对钙钛矿薄膜形貌的影响69-70
• 4.4 本章总结70-72
• 参考文献72-73
• 第五章 全文总结与展望73-75
• 5.1 全文总结73
• 5.2 工作展望73-75
• 致谢75-76
• 在读期间发表的学术论文76

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