【摘要】：近年來,鈣鈦礦太陽能電池憑借其光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)高、制備工藝簡單等優(yōu)勢備受研究者關(guān)注。鈣鈦礦太陽能電池通常由鈣鈦礦層、電子傳輸層、空穴傳輸層和電極組成。其中,空穴傳輸層對鈣鈦礦太陽能電池的效率、穩(wěn)定性、遲滯以及成本起著重要的作用。因而,開展空穴傳輸層的研究對于構(gòu)建高效、穩(wěn)定、低遲滯和低成本鈣鈦礦太陽能電池具有重要的科學意義和應(yīng)用價值�；诖�,本論文對鈣鈦礦太陽能電池空穴傳輸層進行了詳細地研究,主要包括新型空穴傳輸材料、空穴摻雜劑和摻雜方式的開發(fā),以及空穴摻雜劑在鈣鈦礦太陽能電池界面修飾上的應(yīng)用研究。本論文具體研究內(nèi)容如下:設(shè)計并制備了兩個基于三苯胺類的新型空穴傳輸材料LHTM-1和LHTM-2,研究了空穴傳輸分子結(jié)構(gòu)與光伏性能之間的構(gòu)效關(guān)系。LHTM-1和LHTM-2的結(jié)構(gòu)差異在于利用咔唑單元取代LHTM-1中的吩噻嗪單元以構(gòu)建LHTM-2。研究結(jié)果表明,利用咔唑單元取代吩噻嗪單元有助于改善相應(yīng)空穴傳輸分子的平面性,降低HOMO能級和提升空穴遷移率。最終,以Li-TFSI/t-BP/FK209摻雜的LHTM-2為空穴傳輸材料的鈣鈦礦太陽能電池取得了較優(yōu)的效率14.81%(J_(SC)=19.72 mA cm~(-2)、V_(OC)=1.058 V、FF=0.72),其可達基于Spiro-OMeTAD為空穴傳輸材料電池效率的92%(PCE=16.07%)。開發(fā)了一種用于鈣鈦礦太陽能電池的經(jīng)典有機小分子空穴傳輸材料Spiro-OMeTAD的新型含氟疏水空穴摻雜劑F4-TCNQ,其極具潛力取代明星摻雜劑Li-TFSI/t-BP。紫外-可見吸收光譜研究結(jié)果表明F4-TCNQ能夠氧化Spiro-OMeTAD,無需長時間的空氣氧化流程,進而縮短了鈣鈦礦太陽能電池的制備周期。與此同時,以F4-TCNQ摻雜Spiro-OMeTAD為空穴傳輸層可以減少鈣鈦礦太陽能電池的串聯(lián)電阻、促進鈣鈦礦層/空穴傳輸層界面光生空穴的抽取、注入與傳輸,最終致使電池的J_(SC)、FF和PCE同時提升�；谧罴袴4-TCNQ摻雜濃度下的鈣鈦礦太陽能電池獲得了12.93%的效率(J_(SC)=19.04 mA cm~(-2)、V_(OC)=0.925 V、FF=0.73),其與Li-TFSI/t-BP摻雜Spiro-OMeTAD的效率相接近(PCE=14.32%)。進一步地,基于F4-TCNQ的鈣鈦礦太陽能電池還獲得了低的J-V遲滯和優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。開發(fā)了一種用于鈣鈦礦太陽能電池的經(jīng)典聚合物空穴傳輸材料PTAA的新型疏水路易斯酸空穴摻雜劑(LAD)�；贚AD的鈣鈦礦太陽能電池獲得了19.01%的效率,其高于基于明星摻雜劑Li-TFSI/t-BP摻雜PTAA為空穴傳輸層的電池效率(PCE=17.77%)。其優(yōu)異光伏性能歸因于LAD摻雜的PTAA具有高的空穴遷移率、適宜的HOMO能級、快的界面電荷傳輸和低的電荷復(fù)合率等優(yōu)勢。與此同時,基于LAD的鈣鈦礦太陽能電池還具有低的J-V遲滯和優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性。二次離子質(zhì)譜研究結(jié)果表明摻雜劑Li-TFSI中鋰離子會向鈣鈦礦層和TiO_2層遷移并在TiO_2層聚集,導(dǎo)致基于Li-TFSI/t-BP的鈣鈦礦太陽能電池具有較大的遲滯。借助基于同步輻射光源的大型科學裝置檢測了鈣鈦礦結(jié)構(gòu)在長期穩(wěn)定性測試過程中晶體結(jié)構(gòu)的變化,深入分析了基于LAD的鈣鈦礦太陽能電池具有優(yōu)異環(huán)境穩(wěn)定性的內(nèi)在機制�；贚AD,創(chuàng)新性地開發(fā)了一種LAD滲透擴散梯度摻雜空穴傳輸材料PTAA的新型摻雜方式。飛秒瞬態(tài)吸收光譜和熒光光譜研究發(fā)現(xiàn)基于LAD滲透擴散梯度摻雜的PTAA層,有助于提高其從鈣鈦礦層抽取光生空穴的能力,以促進空穴的傳輸和減少復(fù)合。同時,開發(fā)了新型的壓力協(xié)助溶液法來控制鈣鈦礦薄膜的生長、成核和結(jié)晶過程,可控地制備了高結(jié)晶、微米級晶粒和低缺陷態(tài)密度的鈣鈦礦晶體。通過結(jié)合滲透擴散梯度摻雜法與壓力協(xié)助溶液法制備的鈣鈦礦太陽能電池獲得了20.32%的效率(J_(SC)=23.06 mA cm~(-2)、V_(OC)=1.12 V、FF=0.79)。利用明星空穴摻雜劑t-BP作為界面層修飾TiO_2以調(diào)控TiO_2/鈣鈦礦界面特性�；趖-BP修飾的鈣鈦礦太陽能電池實現(xiàn)了V_(OC)由1.03 V到1.09 V的提升,FF由0.71至0.75的提升,PCE由16.14%至17.58%的提升。鈣鈦礦太陽能電池效率的提升歸因于t-BP可調(diào)控TiO_2的能級和功函數(shù)以及減少其表面缺陷態(tài)密度。與此同時,基于t-BP修飾TiO_2的鈣鈦礦太陽能電池獲得低的J-V遲滯,其歸因于t-BP與TiO_2表面的缺陷位點特異性結(jié)合以鈍化其缺陷態(tài)。
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM914.4

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