高效鈣鈦礦太陽能電池器件工作機理、界面電荷傳輸材料、穩(wěn)定性研究.pdf

1、有機/無機雜化鈣鈦礦是一種有機組分與無機框架通過氫鍵自組裝的晶體材料,兼具有機和無機組分材料的優(yōu)點,因此在光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)等領(lǐng)域表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。近年來，典型的有機/無機雜化鈣鈦礦材料（CH3NH3PbI3）因具有較高的摩爾消光系數(shù)和電子/空穴遷移率以及良好的成膜性，在光伏領(lǐng)域內(nèi)的研究和應(yīng)用成為了研究的熱點。目前，用它作為活性層的光伏器件的光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達到了~21％，遠遠超過染料敏化和有機太陽能電池器件的最高光電轉(zhuǎn)化效率。

2、　　本論文主要以有機/無機雜化鈣鈦礦太陽能電池器件為研究對象，從優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和制備工藝入手，通過變溫和多光強實驗對鈣鈦礦太陽能電池器件的電壓產(chǎn)生以及界面電荷傳輸與復(fù)合物理過程進行了系統(tǒng)性地研究。器件結(jié)構(gòu)方面，我們選擇常見的介孔鈣鈦礦器件，并改變空穴傳輸材料和對電極，對 FTO/c-TiO2/m-TiO2(CH3NH3PbI3)/CH3NH3PbI3(帽子層)/spiro-MeOTAD/Au和 FTO/c-TiO2/m-TiO2(CH3N

3、H3PbI3)/m-Al2O3(CH3NH3PbI3)/m-NiO(CH3NH3PbI3)/Carbon兩種器件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。在系統(tǒng)性優(yōu)化這兩種高效器件制備工藝之后，我們利用變溫和多光強的電流-電壓曲線（I-V plot）分析鈣鈦礦太陽能電池器件的光伏參數(shù)隨溫度和光強的變化規(guī)律,并進一步用變溫電化學(xué)阻抗（EIS）和莫特-肖特基曲線（M-S plot）等分析手段理解其內(nèi)部電荷產(chǎn)生、傳輸與復(fù)合等物理過程。結(jié)果表明鈣鈦礦太陽能電池器件的光伏參

4、數(shù)，尤其是開路電壓 Voc隨溫度的變化規(guī)律完全不同于傳統(tǒng)有機光伏的Voc對溫度的依賴性。究其根本原因是因為鈣鈦礦材料本身在構(gòu)建鈣鈦礦光伏器件的內(nèi)建電場方面起著重要的作用，激子的產(chǎn)生與解離、電荷的傳輸和積累都發(fā)生在鈣鈦礦內(nèi)部。而又由于鈣鈦礦內(nèi)部離子的移動導(dǎo)致材料本身的介電常數(shù)隨溫度和光強的變化而變化，因此導(dǎo)致器件的開路電壓 Voc對溫度的依賴性不同于傳統(tǒng)的晶體硅和有機光伏的Voc隨溫度的變化規(guī)律。用變溫電化學(xué)阻抗（EIS）測試方法又進一步

5、分析了器件的界面電荷傳輸與復(fù)合物理過程隨溫度的變化，分析結(jié)果強調(diào)了無機空穴傳輸材料在鈣鈦礦器件中的低溫下應(yīng)用的優(yōu)勢。同時也發(fā)現(xiàn)了鈣鈦礦內(nèi)部的離子傳輸行為對鈣鈦礦太陽能電池器件回滯現(xiàn)象的影響。
　　另外，通過對鈣鈦礦太陽能電池器件的工作機理的理解，我們合成了新型的有機空穴和電子傳輸材料來代替常用的有機空穴傳輸材料(spiro-OMeTAD)和電子傳輸材料(TiO2，PCBM)，以降低器件制作成本和發(fā)展高效率新型結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池

6、器件。其中，包括發(fā)展了以螺旋噻吩為骨架的有機小分子（SCPDT-BiT）作為空穴傳輸材料，代替spiro-OMeTAD并取得了10.4%的光電轉(zhuǎn)化效率。而在電子傳輸材料方面，我們設(shè)計了以芴、噻吩和萘酰亞胺為基本單元的有機聚合物半導(dǎo)體PFN-2TNDI和PF-2TNDI，作為電子傳輸材料來代替PCBM應(yīng)用在反式鈣鈦礦太陽能電池中，取得了16.7%的光電轉(zhuǎn)化效率，同時也設(shè)計以二萘嵌苯酰亞胺為骨架的有機小分子半導(dǎo)體N-PDI來代替高溫退火Ti

7、O2作為致密層，應(yīng)用在正式平板鈣鈦礦太陽能電池器件中，也取得了16.2%的光電轉(zhuǎn)化效率。而通過穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熒光、傅里葉變換紅外光譜以及電化學(xué)阻抗分析發(fā)現(xiàn)這些聚合物和小分子作為電子傳輸材料取得高效的原因一方面在于它們能級匹配和具有較高的電子遷移率，另一方面是因為它們分子末端的氨基官能團能有效的鈍化鈣鈦礦表面缺陷態(tài)，減少了器件的界面電荷復(fù)合，從而提高了器件的光電轉(zhuǎn)化效率。
　　最后，在提高高效鈣鈦礦太陽能電池器件的穩(wěn)定性方面，我們通過用