摘要
钙钛矿太阳能电池(PSCs,Perovskite solar cells)凭借其高性能、制造工艺简单、成本低的特点，在光伏领域中脱颖而出。经过仅十多年的研究，PSCs的光电转换效率(PCE，Photoelectric conversion efficiency)纪录就达到国际认证的25.73％。电子传输层(ETLs，Electron transport layers)是PSCs中的核心组成部分之一。二氧化钛作为ETLs在PSCs中虽然取得了较高的PCE，但较差的光稳定性、高温的制备工艺和较低的电子迁移率都限制了它在高效PSCs中的发展。相比之下，二氧化锡(SnO2)由于其更匹配的能级结构、更简单的制备工艺和更高效的电子传输能力而频繁出现在最佳效率的PSCs中。但是，传统的商业SnO2材料存在本征电导率较低、表面缺陷密度大、大面积涂布不均匀等问题。SnO2材料的质量与晶体结晶过程密切相关。因此，设计并优化合理的合成路线是制备出高质量SnO2薄膜的关键。本文提出了低成本、性能优异的SnO2电子传输层的制备路线，分析了SnO2材料的形成机制，有效提升了相应太阳能电池的效率及稳定性。具体研究内容如下所述: 针对传统的商业SnO2ETLs低电导率、高表面缺陷密度以及不匹配的能级结构等问题。首先，我们设计了一种简易可控的低温合成二氧化锡纳米晶体的工艺路线，通过尿素对SnO2纳米晶体生长过程的调控，得到了稳定可靠的SnO2纳米晶体胶体溶液。采用合成的SnO2纳米晶体制备的SnO2ETLs具有相比于传统商业SnO2ETLs更优异的光电性能，这也显著的促进了PSCs中电荷提取的改善和非辐射复合的抑制。所合成的SnO2ETLs使纯无机钙钛矿太阳能电池的开路电压由1.21V提高至1.30V,PCE由14.00％提升至16.22％,并且具有良好的热稳定性。 然后，我们提出了一种新型的溶剂热合成二氧化锡纳米晶体的路线，并通过引入配体四甲基氢氧化铵来调控SnO2的晶体生长，得到了粒径分布均匀、结晶性和分散性良好的纳米晶体胶体溶液。采用溶剂热合成的SnO2纳米晶体所制备得到的SnO2ETL的电子传输能力得到了显著提升。将其作为ETL应用于有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池中，最佳器件的光电转换效率从19.08％提升到21.07％。 由于传统的旋涂法难以得到大面积的均匀SnO2薄膜，但使用化学浴沉积的SnO2薄膜厚度难以控制，而且薄膜表面缺陷密度大，这都限制了SnO2的电子传输能力。我们提出了一种化学浴沉积掺杂Cr元素来制备SnO2薄膜的工艺，制备的SnO2/Cr-ETL薄膜表面缺陷明显减少并且电子传输能力得到显著提升，Cr的引入使得SnO2薄膜的电子迁移率也得到大幅增长，同时也有效的抑制了载流子的复合。基于SnO2/Cr-ETL薄膜的PSCs的最佳器件取得了21.55％的效率，相比于对比样SnO2-ETL器件得到明显提升。
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