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1、在电子传输层中掺杂二氧化钛纳米粒子提高反式钙钛矿太阳电池的效率谢小银刘冠辰徐重阳柳志海吉林化工学院石油化工学院张家港康得新光电材料有限公司柔性事业部嘉泉大学生物纳米研宄院基于CH3NH3PbX3(X=C1,Br,I)材料的钙钛矿太阳电池由于其简单的制作工艺和较高的光电转换效率在近年来吸引了大量的研究。报道了在电子传输层(PCBM层)中掺杂二氧化钦纳米粒子从而提高反式结构钙钛矿太阳电池的性能。通过掺杂二氧化钛纳米粒子,使电子传输层的能级和钙钛矿层的能级更加匹配,从而改善了电子的传输和收集并抑制了正负电荷复合,提高了钙钛矿太阳电池的短路电流密度和填充因子。光电转换效率从原来的12.1%提高
2、到了13.5%。结果表明,在PCBM层掺杂二氧化钦纳米粒子是一种简单有效的提高钙钦矿太阳电池的性能的方法。关键词:二氧化钛纳米粒子;韦丐钛矿太阳电池;能量转换效率;电子迁移率;研究方向:有机太阳能电池。。研究方向:薄膜太阳能电池。3Nn3PbI3-xClx作为光电转换层。首先将刻蚀好的1T0玻璃分别在去离子水、丙酮和异丙醇中超声清洗lOmin,并用氮气枪吹干。接着将洗干净的IT0玻璃板放在紫外臭氧清洗机中处理15mine随后将过滤好的PEDOT:PSS(Clevios,PVPAI4083)在5OOOr/min的转速下旋涂到TTO玻璃基底上。接着将旋涂好的玻璃基板在空气中退火(140°C
3、,15min)以彻底蒸干残余溶剂。钙钛矿溶液是通过混合摩尔比为1:3的PbCl2(西格玛)和COHJ(碘甲胺,宝莱特)并溶解在DMF(西格玛)溶剂里面。最终的质量分数是40%。在旋涂之前,配制的溶液在60°C下加热并搅拌12h。钙钛矿和PCBM层的旋涂是在充满氮气的手套箱中完成:取150uL的钙钛矿溶液滴在旋涂好的PEDOT:PSS膜上,然后在4500r/min的转速下旋涂30s。旋涂完成后,样木在100°C下加热120min直到钙钛矿膜从黄色完全转换成红棕色并泛光亮。将PCEiM(宝莱特)溶解在氯苯屮配制成20mg/mL的溶液。然后将PCBM溶液滴加在形成好的钙钛矿薄膜上,在1000
4、r/min的转速下旋涂30s并在40°C下加热10min以蒸干残余溶剂。随后将150ML配制好的Ti02NPs溶液(超声10min分散于异丙醇溶剂,浓度为2mg/mL)滴加在PCBM层上,并在3000r/min的转速下旋涂30s。对于参照组电池则不旋涂TiO2NPs溶液。最后,将旋涂好的样本置于真空蒸镀仪中,在小于lXIOTorr.的真空压力下以0.2〜0.3/s的速度蒸镀0.6run的LiF,随后以1〜2/s的速度镀100™Ag电极。随后,用紫外㈥化的环氧树脂和玻璃盖玻片封装电池,并测试其性能。太阳电池的有效工作面积是0.1cm。对于测量电子迁移率,制作了ITO/PCBM:TiO2N
5、Ps/Ag的单电子(electrononly)传输器件,PCBM:Ti02NPs表示旋涂Ti02NPs的PCBM层。1.2测试工作太阳电池的伏安曲线是在1个太阳光光强(1sun,100mW/cm)下测试的,数据采集器使用的是keithley2400。单色光光电转换效率(IPCE)的测试平台是北京卓立汉光solarcellscanlOO。使用扫描电子显微镜(SU8020)测量表面和横断面形貌时使用的加速电压为8kV。表面形貌数据使用了原子力显微镜(AFM,Veeco)来获取。2结果与讨论图1⑹展示了钙钛矿太阳电池中钙钛矿层(perovskite)、PCBM、Ti02NPs和银电极的能级分
6、布。在不使用Ti02NPs吋,电子从钙钛矿层激发并传输到PCBM以后,接着会被银电极所收集。而PCBM的最低非占据轨道(LUMO)为-3.80eV,与银电极的功函(-4.23eV)有0.43eV的距离,能级匹配性不是很高,一定程度上不利于电子的转移和收集[15,16]。而在使用了TiO2NPs以后,由于TiO2NPs的导带为-4.21eV,使能级匹配性更好,电子在到达银电极之前有一个过渡,这样就更加有利于电子的传输和收集[15,16]。同时,TiO2NPS的价带为-7.41eV,比PCBM的最高占据轨道低1.31eV,这样就会更加有效地阻挡空穴(正电荷)的传输,所以有效地抑制了正负电荷
7、复合。图1电池器件结构及能级状态和电子传•输示意图Fig.1Schematicofthestructure,energylevelalignmentandelectrontransportationintheperovskitesolarcell如图2(a)所示,钙钛矿层完全覆盖住了PEDOTiPSS层,并没有明显可见的小孔。图2(b)展示了钙钛矿层对可见-红外光波段40(f800nm有很高的吸收率,这为其较高的光电转换效率打下了基础。钙钦矿表
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