基于多层结构透明电极的钙钛矿光电器件的研究

doi:A0385FB056E55D55BEF8247AB294CE0C

	基于多层结构透明电极的钙钛矿光电器件的研究
	刘雪
学位类型	博士
导师	刘星元
	2019-06-01
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
关键词	柔性钙钛矿太阳能电池掠射角沉积透明钙钛矿发光二极管多层结构透明电极
摘要	钙钛矿(perovskite)材料由于具有消光系数高、载流子迁移率高、载流子扩散长度大、带隙可调节、荧光量子效率(photoluminescence quantum yield,PLQY)高以及色纯度高等优异的光电特性,被广泛用于太阳能电池、探测器、激光、发光二极管等光电器件的研究,并且已经取得了一定的研究进展。目前,钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells,PSCs)的最高能量转换效率(power conversion efficiency,PCE)已经达到24.2%,表现出优异的光伏性能;同时近红外光与绿光钙钛矿发光二极管(perovskite light-emitting diodes,PeLEDs)的外量子效率(external quantum efficiency,EQE)均已超过20%,呈现出优异的电致发光(electroluminescence,EL)性能。PSCs与PeLEDs均具有巨大的商业应用前景。根据近来全球的科技公司如三星(Samsung)、华为(Huawei)、苹果(Apple)等发布的产品来看,未来光电子产品将主要朝向柔性智能穿戴与透明集成显示等方面发展,因此研究并制备高性能柔性PSCs与透明PeLEDs以顺应科技时代的发展需求具有非常重要的意义。本论文的主要工作是将多层结构透明电极用于钙钛矿光电器件的制备,通过对电极结构的设计与优化旨在实现高性能的柔性PSCs与高效的透明PeLEDs,本论文的主要研究内容与结论如下:1.基于WO_3/Ag/WO_3(WAW)透明电极的PSCs。采用电子束热蒸发制备多层结构透明电极WAW,并首次将其用于PSCs的制备,通过与传统的铟锡氧化物(In_2O_3:Sn,ITO)电极对比,发现不同电极的表面粗糙度的差异会导致钙钛矿前驱体溶液在不同衬底上的接触角不同,从而影响钙钛矿的异质成核速率,最终影响钙钛矿的薄膜形貌与结晶性。通过对钙钛矿前驱体材料比例的优化,获得了平整、致密、均匀的钙钛矿薄膜,最终基于WAW电极的刚性PSCs与柔性PSCs的PCE分别达到9.73%与8.04%,说明多层结构透明电极在PSCs中应用的可行性。2.基于微结构WAW透明电极的柔性PSCs。采用掠射角沉积技术结合电子束热蒸发工艺制备出一系列具有不同表面形貌与结构的WAW透明电极。研究发现当沉积角度(蒸发源与衬底法线之间的夹角)为75°时,会形成具有倾斜、定向、分散、多孔的WO_3纳米柱结构的WAW电极。该电极独特的多孔结构可以有效地增加空穴传输材料聚(3,4-乙烯二氧噻吩)掺杂聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)与电极之间的接触面积,提高空穴的传输和收集效率,抑制电荷复合,进一步提升了PSCs的PCE,其中刚性电池与柔性电池的PCE分别为14.91%与13.79%,与平面结构WAW电极相比,分别提高了10.36%与10.14%。同时,由于该电极独特的纳米柱微结构,使柔性电池在弯曲过程中可以释放一部分内应力,降低弯曲对钙钛矿层的破坏程度,减少晶界、缺陷与针孔的形成,有效地提高了柔性PSCs的弯曲稳定性。在最大弯曲应力1.3%下,连续反复弯曲1000次后,基于微结构WAW电极的柔性器件仍能保持其初始效率的90.97%,而基于平面结构WAW电极的柔性电池的性能退化较为严重,PCE降低到原始数值的78.39%。由此证明,这种微结构透明电极在制备柔性钙钛矿光伏电池中的应用潜力。3.高效无机PeLEDs的制备。通过形貌和界面工程改善了全无机PeLEDs的EL性能与稳定性。将非离子表面活性剂~聚氧乙烯(20)脱水山梨糖醇单月桂酸酯(Tween 20)引入到纯无机钙钛矿CsPbBr_3中,改善了钙钛矿层的薄膜形貌,减少了晶界,钝化晶界处的缺陷,降低了钙钛矿层的缺陷密度,降低非辐射复合速率,有效地提高了CsPbBr_3薄膜的光致发光(photoluminescence,PL)强度、PLQY以及PL强度分布的均匀性,进而改善了PeLEDs的EL性能与工作寿命。器件的最大亮度达到111000 cd/m~2,最高电流效率达到21.1 cd/A,最高EQE达到5.5%,器件的工作寿命从4 min提高到4.5 h。同时采用阴离子表面活性剂~十二烷基苯磺酸钠盐(SDBS)对空穴注入材料PEDOT:PSS进行掺杂,提高了PEDOT:PSS薄膜的电导率,改善了空穴的传输与注入,使电子与空穴的注入更加平衡,进一步提高了器件的EL性能与工作寿命。最佳PeLEDs的最大亮度达到了179000 cd/m~2,峰值电流效率达到28.0 cd/A,最大EQE达到7.39%,工作寿命达到6 h。高性能的PeLEDs为进一步实现高效透明PeLEDs奠定了良好的基础。
页数	114
DOI	A0385FB056E55D55BEF8247AB294CE0C
语种	中文
引用统计
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/63886
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	刘雪. 基于多层结构透明电极的钙钛矿光电器件的研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2019.

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