基于CuSCN无机空穴传输层制备钙钛矿光电器件的研究

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能源危机是21世纪全人类必然面临的重大问题,目前人类经济文化的飞速发展主要得益于地球储存的煤矿、石油、天然气等,但是这些能源是不可再生的,人类要想维持自身的发展,必然要着眼于可再生能源的循环利用。而太阳能是其中最为普遍存在、运用范围最广,同时又取之不尽用之不竭的绿色环保能源,因此如何有效利用太阳能是目前能源研究方面的热潮。钙钛矿(Perovskite)正是近十年来作为光伏半导体材料的重点研究材料,利用钙钛矿制备的太阳能电池具有成本低廉、能量转换效率高的特点,具有取代成本昂贵、制备难度高的硅基太阳能电池的重大潜力。通常钙钛矿材料器件在工作过程中,需要电子传输层和空穴传输层的辅助,才能有效提高载流子的传输能力,并保持较高的稳定性。但传统使用的Spiro-OMeTAD空穴传输材料成本极高,又需要多种材料掺杂才能最大程度提高空穴传输率,无疑是对大规模生产化、商业化所不友好的。而同为空穴传输材料的CuSCN具有低缺陷密度、空穴迁移率高、成本极低等特点,是能够替代Spiro-OMeTAD的理想材料。本文从钙钛矿材料的原理性质出发,首先制备了钙钛矿太阳能电池,围绕其空穴传输层CuSCN材料展开探索,研究过程中,先从器件结构上进行优化,制备了传统的介孔结构钙钛矿太阳能电池,并分析得出介孔结构中溶剂对钙钛矿的影响导致载流子复合率较高的结论,于是进行倒置结构的研究,通过分析器件的成膜状况,对后续实验工艺进行改进,包括退火温度的把控,取得最佳的制备方法,提高电池的效率。最后从稳定性方面进行分析,通过对钙钛矿材料卤族元素的调控,制备钙钛矿太阳能电池效率达到15.7%,并且具备15天内不出现明显退化的稳定性。之后,由于发现CuSCN优异的空穴传输性能与高透光系数的特点,是制备Photogating结构高响应度探测器的理想材料,设计了以钙钛矿为基础,以CuSCN为类光栅的沟道传输层的光电探测器,通过不同的温度退火工艺调控得出最佳效果,将结构进一步地优化,成功降低了响应时间。最后,在实验中发现该探测器对微弱光仍有较好的探测效果,具有重要的研究意义。
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