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基于黑磷烯材料的全无机钙钛矿太阳能电池的研究
文章字数：1463
摘要：新能源的开发成为解决能源短缺等问题的主要方法。钙钛矿太阳能电池因低成本、高光电转换效率具有显著优势。本文采用两步法制备了CsPb-Br3钙钛矿薄膜，分别构建C/钙钛矿/TiO2/FTO和C/BP:PRDOT:PSS/钙钛矿/TiO2/FTO。探究有无空穴传输层对钙钛矿太阳能电池光电性能的影响，实验数据表明，将黑磷烯复合材料作为空穴传输层引入钙钛矿太阳电池后，可将其能量转换效率由0.821％提高至1.035%，证明了黑磷烯材料作为空穴传输层能够有效地提升器件的光电性能。
关键词：全无机钙钛矿太阳能电池；黑磷烯材料；空穴传输层
一、绪论
钙钛矿吸收层受光激发时，光子能量超过带隙，引发电子从价带跃迁至导带形成激子，电子经电子传输层迁移，空穴则进入空穴传输层，最终由金属电极与透明电极分别收集，外电路导通后产生光生电流，完成光电转换。近年来，全无机CsPbX3钙钛矿因其高稳定性成为光电领域热点，CsPbBr3太阳能电池性能优异，其防水性突出且初始PCE达5.59%，经结构优化后效率提升至6.2%。本文基于此体系，设计并制备了CsPbBr3钙钛矿太阳能电池器件。
二、黑磷烯材料对于CsPbBr3电池的影响
（一）实验研究内容。本实验是采用碳电极作为阴极，TiO2作为电子传输层，使用两步法制备的CsPbBr3钙钛矿薄膜作为吸光层，黑磷烯/PEDOT:PSS复合物作为空穴传输层，然后按照正式模型组成FTO导电玻璃/TiO2/CsPbBr3钙钛矿薄膜/导电碳层的全无机钙钛矿太阳能电池，探究空穴传输层的作用，与钙钛矿太阳能电池光电性能间的影响，以及选用黑磷烯这一材料作为空穴传输层的潜力以及优势。
（二）添加黑磷烯材料的CsPbBr3电池的制备。导电玻璃预处理需选取2.5cm×2.5cm的FTO玻璃，依次经过去污粉、洗洁精及去离子水清洗以去除表面污渍，随后通过乙醇脱水及异丙醇超声30分钟清洁，最终乙醇密封保存。基于预处理后的玻璃，使用胶带将其贴合在异丙醇处理的瓷板上，以TiO2浆料刮涂未被胶带覆盖的区域，红外灯烘干后于450℃退火30分钟，完成TiO2钝化层制备。钙钛矿活性层制备中，首先将4.41g溴化铅溶于12mlDMF溶液，加热搅拌12小时形成均匀浆料，通过三次刮涂（每次干燥后再涂覆）于玻璃表面，80℃烘干后浸入0.07mol/L CsBr甲醇溶液4小时，取出后经异丙醇清洗并于250℃退火5分钟，实现CsPbBr3钙钛矿层的结晶与致密化。黑磷烯层制备需在手套箱中将块状黑磷烯研磨成粉末，按黑磷烯与PEDOT:PSS（2:5）比例混合于乙醇中分散，形成包覆分散液后滴涂于钙钛矿层表面，80℃烘干即得异质结结构。最终电池样品经太阳光模拟系统测试光电性能，采用吉时利I-V测试系统采集数据，输出电流－电压特性曲线及效率参数。
（三）样品性能测试。样品经紫外可见分光光度计测试，其紫外吸收光谱显示：TiO2层与CsPbBr3钙钛矿膜在280nm处开始吸光，可见光区吸收稳定，表明材料具有优异吸光性能。同时，吸收峰向长波长方向红移，且在780-1000nm红外波段仍保持较高吸收，证明其宽光谱响应特性可进一步提升光电转换效率。该结果表明CsPbBr3钙钛矿太阳能电池在光能利用范围与器件性能上具备显著优势，应用前景广阔。基于FTO/TiO2/CsPbBr3钙钛矿薄膜/导电碳层结构的太阳能电池器件，引入黑磷烯作为空穴传输层后，其能量转换效率从0.821%提升至1.035%，VOC与Jsc显著增大。黑磷烯通过减小钙钛矿薄膜晶界缺陷、促进电荷分离并抑制复合，增强了光吸收与载流子传输效率，从而显著优化器件光伏性能。
三、总结
在本文中，研究了使用黑磷烯复合材料作为空穴传输层对于CsPbBr3钙钛矿太阳能电池性能的影响。首先通过两步法制备出了效率最好的三层钙钛矿材料，构建C/钙钛矿/TiO2/FTO太阳能电池，其最高效率为0.821%，引入黑磷烯材料作为空穴传输层构建C/BP:PRDOT:PSS/钙钛矿/TiO2/FTO太阳能电池，其最高效率为1.035%，主要体现在开路电压（Voc）参数的提升，开路电压总体上提升了约0.57V。数据表明黑磷烯材料作为空穴传输层能够有效地提升器件的光电性能。
作者单位：攀枝花学院新能源科学与工程
关键词：全无机钙钛矿太阳能电池；黑磷烯材料；空穴传输层
一、绪论
钙钛矿吸收层受光激发时，光子能量超过带隙，引发电子从价带跃迁至导带形成激子，电子经电子传输层迁移，空穴则进入空穴传输层，最终由金属电极与透明电极分别收集，外电路导通后产生光生电流，完成光电转换。近年来，全无机CsPbX3钙钛矿因其高稳定性成为光电领域热点，CsPbBr3太阳能电池性能优异，其防水性突出且初始PCE达5.59%，经结构优化后效率提升至6.2%。本文基于此体系，设计并制备了CsPbBr3钙钛矿太阳能电池器件。
二、黑磷烯材料对于CsPbBr3电池的影响
（一）实验研究内容。本实验是采用碳电极作为阴极，TiO2作为电子传输层，使用两步法制备的CsPbBr3钙钛矿薄膜作为吸光层，黑磷烯/PEDOT:PSS复合物作为空穴传输层，然后按照正式模型组成FTO导电玻璃/TiO2/CsPbBr3钙钛矿薄膜/导电碳层的全无机钙钛矿太阳能电池，探究空穴传输层的作用，与钙钛矿太阳能电池光电性能间的影响，以及选用黑磷烯这一材料作为空穴传输层的潜力以及优势。
（二）添加黑磷烯材料的CsPbBr3电池的制备。导电玻璃预处理需选取2.5cm×2.5cm的FTO玻璃，依次经过去污粉、洗洁精及去离子水清洗以去除表面污渍，随后通过乙醇脱水及异丙醇超声30分钟清洁，最终乙醇密封保存。基于预处理后的玻璃，使用胶带将其贴合在异丙醇处理的瓷板上，以TiO2浆料刮涂未被胶带覆盖的区域，红外灯烘干后于450℃退火30分钟，完成TiO2钝化层制备。钙钛矿活性层制备中，首先将4.41g溴化铅溶于12mlDMF溶液，加热搅拌12小时形成均匀浆料，通过三次刮涂（每次干燥后再涂覆）于玻璃表面，80℃烘干后浸入0.07mol/L CsBr甲醇溶液4小时，取出后经异丙醇清洗并于250℃退火5分钟，实现CsPbBr3钙钛矿层的结晶与致密化。黑磷烯层制备需在手套箱中将块状黑磷烯研磨成粉末，按黑磷烯与PEDOT:PSS（2:5）比例混合于乙醇中分散，形成包覆分散液后滴涂于钙钛矿层表面，80℃烘干即得异质结结构。最终电池样品经太阳光模拟系统测试光电性能，采用吉时利I-V测试系统采集数据，输出电流－电压特性曲线及效率参数。
（三）样品性能测试。样品经紫外可见分光光度计测试，其紫外吸收光谱显示：TiO2层与CsPbBr3钙钛矿膜在280nm处开始吸光，可见光区吸收稳定，表明材料具有优异吸光性能。同时，吸收峰向长波长方向红移，且在780-1000nm红外波段仍保持较高吸收，证明其宽光谱响应特性可进一步提升光电转换效率。该结果表明CsPbBr3钙钛矿太阳能电池在光能利用范围与器件性能上具备显著优势，应用前景广阔。基于FTO/TiO2/CsPbBr3钙钛矿薄膜/导电碳层结构的太阳能电池器件，引入黑磷烯作为空穴传输层后，其能量转换效率从0.821%提升至1.035%，VOC与Jsc显著增大。黑磷烯通过减小钙钛矿薄膜晶界缺陷、促进电荷分离并抑制复合，增强了光吸收与载流子传输效率，从而显著优化器件光伏性能。
三、总结
在本文中，研究了使用黑磷烯复合材料作为空穴传输层对于CsPbBr3钙钛矿太阳能电池性能的影响。首先通过两步法制备出了效率最好的三层钙钛矿材料，构建C/钙钛矿/TiO2/FTO太阳能电池，其最高效率为0.821%，引入黑磷烯材料作为空穴传输层构建C/BP:PRDOT:PSS/钙钛矿/TiO2/FTO太阳能电池，其最高效率为1.035%，主要体现在开路电压（Voc）参数的提升，开路电压总体上提升了约0.57V。数据表明黑磷烯材料作为空穴传输层能够有效地提升器件的光电性能。
作者单位：攀枝花学院新能源科学与工程