化学浴沉积大面积SnO2及其在钙钛矿太阳能电池中的应用

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由于钙钛矿固有的光电性能和优良的成膜性,钙钛矿太阳能电池(PSCs)发展比较迅速,小面积器件效率达到了25.5%。然而,PSCs要实现大规模的商业化应用,还需要解决其稳定性和放大制备的问题。其中,电子传输层是PSCs的重要组成部分之一。尤其是选择廉价可行的大面积电子传输层的制备方法是一个亟需解决的问题。氧化锡是一种稳定性较好的半导体材料,而且可低温成膜,性能优异等特点,非常适合作为电子传输材料。本论文采用化学浴沉积法(CBD法)制备Sn O2电子传输层(ETLs),将其应用于平面正式钙钛矿太阳能电池中。详细研究了CBD时间和CBD方式对大面积Sn O2薄膜均匀性的影响,并对退火方式和温度进行了一定的研究,以不同位置的Sn O2为基底制备了平面正式钙钛矿器件。最后,在Sn O2和钙钛矿(PSK)界面处引入巯基丁二酸,提高了PSCs的效率和稳定性。通过J-V测试、动态光散射仪(DLS)、紫外分光光度计(UV-vis)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)等方法进行了表征测试。主要的成果有:1.采用CBD法制备了20 cm~2小面积的Sn O2ETLs,通过优化CBD的浓度、温度和时间,并对相应器件的J-V曲线进行研究。最终发现,小面积(20cm~2)Sn O2薄膜的最佳工艺是,在90℃温度和0.2 M的Sn Cl2溶液浓度条件下,沉积2.5 h,以此为基底制备的器件效率为19.69%。2.首次尝试采用CBD法制备大面积(400 cm~2)Sn O2ETLs,通过优化CBD的时间,得到了制备大面积高均匀Sn O2薄膜的最佳CBD时间为4.5h。同时,采用正反对调的CBD方式,进一步优化了大面积Sn O2薄膜的均匀性,通过电导率测试证明了正反对调的CBD方式可以制备更加均匀的大面积Sn O2薄膜。另外,通过优化Sn O2薄膜的热处理温度和热处理方式,得到了最佳的Sn O2结晶温度和方式。并对相应器件的J-V曲线进行了分析,得到了高效的器件和均匀分布的效率(最高效率在19.69%,平均效率为19.22%),进一步验证了CBD法制备大面积均匀的Sn O2薄膜的可行性。3.通过在Sn O2和钙钛矿的界面处引入了巯基丁二酸小分子,减少了Sn O2和钙钛矿的缺陷,通过XPS、FTIR等测试证明了MSA与Sn O2和钙钛矿的化学作用,相应的器件效率达到了21.24%。同时器件的湿度稳定性和热稳定性得到了提高。
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