氧化锌阵列基钙钛矿太阳能电池的界面调控与性能优化

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氧化锌(ZnO)纳米阵列材料因其具有高的透光率、高的电子迁移率以及低温多样化的制备等优势,被应用在p-i-n型全固态钙钛矿太阳能电池得到了广泛的关注,目前光电转化效率已达到16.1%,然而纯ZnO纳米阵列作为电子传输层,其与钙钛矿吸光层之间的界面接触较差,可能造成电子被局限于界面缺陷态而导致电池效率不高。本论文采用形貌处理、元素掺杂等界面修饰手段改善Zn O阵列的表面,从而优化ZnO阵列基钙钛矿太阳能电池的性能,并对修饰处理表面进行了详细地表征和测试,具体内容如下:1、采用低温水浴沉积法在氟掺杂氧化锡玻璃衬底上制备出600 nm厚的ZnO纳米阵列,在ZnO阵列上旋涂的氧化钛(TiO2)颗粒薄膜,制备ZnO/TiO2复合阵列结构作为钙钛矿太阳能电池的电子传输层,通过改变TiO2掺入体系和掺入浓度优化组装电池的光电性能。实验发现当ZnO阵列经过0.1 M TiO2浆料溶液处理后组装电池得到最优光电转换效率为6.07%。进一步对ZnO/TiO2浆料复合结构采用四氯化钛(TiCl4)溶液处理,电池的光电性能得到大幅提升:开路电压(Voc)为0.99 V,短路电流密度(Jsc)为19.09 mA·cm-2,填充因子(FF)为58%,光电转换效率达到11%。该复合结构引入微小TiO2纳米颗粒有效填补了ZnO阵列的间隙,增大了钙钛矿薄膜的有效吸附面积,增大了光俘获,同时TiO2略高于ZnO的导带位置在电子传输层界面引入了薄的势垒层,有助于抑制界面处光生电子的复合,因而电池的整体性能得到提高。2、通过氯化铝(AlCl3)和氨水(NH3·H2O)水溶液双重浸泡的方法对ZnO阵列表面进行处理,该处理方法操作简单快捷,兼容低温柔性工艺,同时系统分析了NH3·H2O处理浓度对电池光电性能的影响,通过扫描电子显微镜(SEM)分析发现经0.1 M AlCl3和1.1 M NH3·H2O处理后ZnO阵列的长径比变大,有利于钙钛矿晶粒的充分渗入,同时引入了高配位数的锌氨配合物,通过电化学阻抗谱的分析表明锌氨配合物能有效改善ZnO阵列和钙钛矿材料之间的界面电子复合电阻,极大的提高了钙钛矿太阳能电池的光电性能,最终得到12.1%的光电转换效率。3、在ZnO阵列表面进行二氧化硅(SiO2)溶胶浸泡处理,制备具有ZnO/SiO2钝化层的钙钛矿太阳能电池,通过改变SiO2溶液浸泡时间来探寻最优的光电性能,实验发现:当SiO2溶胶浸泡时间为2.5 h时,钙钛矿太阳能电池的光电性能参数最优。SiO2溶胶中存在适量的氨水可改善阵列表面的粗糙程度,利于钙钛矿晶体和SiO2颗粒的附着,研究还发现SiO2钝化层的引入在提高太阳能电池光电转换效率的同时,组装电池的稳定性也得到了提升,在室温环境下存放35天仍可保持70%以上的光电转换效率。
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