通過修飾ZnO電子傳輸層提高鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的研究.pdf

1、近幾年，基于固態(tài)有機-無機鉛鹵化物的鈣鈦礦材料由于具有較好的光學帶隙、高載流子遷移率、超寬的光譜吸收邊和低成本的制備工藝等優(yōu)點，引起了全世界科學家的關(guān)注。同時，基于CH3NH3PbX3(X=I-,Br-,Cl-)此類材料所制備的鈣鈦礦太陽能電池具有較高的光電轉(zhuǎn)化效率（最高已經(jīng)達到22％）、制備工藝簡單和可以在柔性基底上制備等優(yōu)點，顯示出了非常好的發(fā)展應(yīng)用前景。雖然基于二氧化鈦（TiO2）電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池器件具有如此多的優(yōu)點，

2、但是，幾乎所有科學家都發(fā)現(xiàn)，潮濕和高溫環(huán)境下的器件穩(wěn)定性很差，服役壽命很短，主要是因為鈣鈦礦光吸收層容易降解。為了解決器件的在潮濕環(huán)境下不穩(wěn)定的問題，氧化鋅（ZnO）被引入到鈣鈦礦太陽能電池中，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子傳輸層二氧化鈦（TiO2）制備出了潮濕環(huán)境下穩(wěn)定性較好的鈣鈦礦器件?；赯nO電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池雖然在潮濕環(huán)境下具有一定的穩(wěn)定性，但是，高溫環(huán)境下所制備的器件依然容易失效。
　　本論文首先對制備鈣鈦礦光吸收層（甲胺

3、鉛碘）的工藝進行了優(yōu)化，所制備的甲胺鉛碘晶粒結(jié)晶性好，形成的薄膜平整且致密、吸光性能強。將所制備的甲胺鉛碘薄膜和其他界面層進行組裝，獲得了光電轉(zhuǎn)化效率為12.56%的鈣鈦礦太陽能電池器件。其次，為了研究高溫環(huán)境下鈣鈦礦太陽能電池的失效機理，將器件置于150℃的環(huán)境下進行測試表征，首次確定了其失效的機理：ZnO表面的羥基會與CH3NH3PbI3分子中的甲胺離子（CH3NH3+）離子發(fā)生路易斯酸堿反應(yīng)，造成CH3NH3PbI3分解為碘化鉛（

4、PbI2）以及其他物質(zhì)，最終，導致所制備的器件失效。
　　最后，通過對所得失效原因進行深入分析，研究并開展了以下兩方面的工作：
　　(1)通過制備 Sn摻雜氧化鋅薄膜（TZO）作為電子傳輸層來解決鈣鈦礦太陽能電池在高溫環(huán)境下容易失效的問題，確定最佳Sn摻雜濃度為2%，最佳退火溫度為200℃的制備工藝。通過原位掠入射 X射線衍射實驗觀測到，沉積在TZO薄膜上面的CH3NH3PbI3薄膜能夠在150℃溫度環(huán)境下穩(wěn)定存在60分鐘以

5、上，相較于沉積在ZnO表面的參比試樣（20min）提高2倍。同時通過紅外測試表明，Sn元素的摻雜能夠有效減少ZnO表面羥基的量，從而抑制鈣鈦礦層的分解，起到保護作用。所制備的基于TZO電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池效率可以達到13.06%，在外界中可以穩(wěn)定存在15天以上，而且效率下降僅僅只有20%。另外，通過對TZO薄膜的表征表明，Sn元素的摻雜提高了ZnO在ITO導電玻璃上的覆蓋率，有效抑制了電子-空穴對在鈣鈦礦層與ZnO之間界面的復合

6、，大大提高了電荷在鈣鈦礦和電子傳輸層之間的傳輸效率，提高了所制備器件的光電轉(zhuǎn)化效率。
　　(2)通過制備氧化鋅/石墨烯量子點（ZnO-G QDs）作為電子傳輸層來解決鈣鈦礦太陽能電池在高溫環(huán)境下容易失效的問題，確定最佳GO摻雜量為80mg，最佳退火溫度為200℃的制備工藝。XRD和TEM實驗結(jié)果證明，成功制備出ZnO-G QDs。通過原位掠入射 X射線衍射實驗觀測到，沉積在TZO薄膜上面的CH3NH3PbI3薄膜能夠在150℃溫度

7、環(huán)境下穩(wěn)定存在80分鐘以上，相較于沉積在ZnO表面的參比試樣（20min）提高60min。通過紅外測試表明，通過石墨烯對ZnO的包覆，減少了外露羥基的數(shù)量，避免其表面的羥基與CH3NH3PbI3直接接觸，從而減少路易斯酸堿反應(yīng)的發(fā)生，起到保護鈣鈦礦層的作用。所制備的基于ZnO-G QDs電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池效率可以達到13.41%，在空氣中可以穩(wěn)定存在15天以上，而且效率下降僅為20%。通過對ZnO-G QDs的表征表明，石墨烯