钙钛矿太阳能电池中CuInS₂量子点空穴传输层的光电性能研究

【作者】 刘曰利； 陈韬； 陈巧； 张锐； 陈克强； 陈文；

【机构】 武汉理工大学材料科学与工程学院硅酸盐建筑材料国家重点实验室；

【摘要】 钙钛矿太阳能电池在短短几年内便得到超过20%的光电转换效率。然而,其空穴传输层材料spiro-OMeTAD的制备工艺复杂、价格昂贵、空穴迁移率低。因此,寻找新型空穴传输层材料具有重要意义。CuInS₂量子点作为一种新型三元直接带隙半导体,具有带隙可调、载流子迁移率高、制备工艺简单等优点,是一种潜在的空穴传输材料。本文通过改进的热分解法制备CuInS₂量子点,并分析反应温度对产物形貌尺寸和光学性能的影响。研究发现,随着反应温度升高,CuInS₂量子点尺寸从1.9 nm增加到6.9 nm,光学带隙从2.65 eV下降到1.65 eV;量子点尺寸为4.2 nm时,其荧光寿命最长,为185 ns。采用反溶剂法和两步法制备CH₃NH₃PbI₃光吸收层,所制备的CH₃NH₃PbI₃层表面平整,晶粒尺寸约为300 nm-500 nm,厚度约为400 nm。将CuInS₂量子点作为空穴传输层,研究溶剂种类和CuInS₂量子点尺寸对电池性能的影响。研究表明,当使用己硫醇作为溶剂时,量子点成膜效果较好;随着量子点尺寸的增加,电池效率先增大再减小,当量子点尺寸为3.7 nm时,电池性能最优,PCE最高可达9.22%,短路电流密度达26.62mA/cm²,填充因子为0.467。与此同时,使用spiro-OMeTAD作为空穴传输层PCE可达12.84%,短路电流密度达19.91mA/cm²,填充因子为0.630。因此,使用CuInS₂量子点作为空穴传输层可显著增强钙钛矿太阳能电池的短路电流密度,且得到的光电转换效率与采用传统spiro-OMeTAD的相比拟,这表明CuInS₂量子点有望成为一种有广泛发展前景的空穴传输材料。更多还原