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等离子体表面处理技术在钙钛矿电池制备中的应用

Sep. 05, 2023

随着现代工业的高速发展,水污染、土壤污染、大气污染的现象日趋严重,能源危机和环境污染不容忽视,人们对可再生能源的需求也越来越大。太阳能是安全,无污染,不受地理条件限制,应用范围最广,是最有发展前途的一种新型能源。在太阳能的有效利用中,太阳能光伏转换是近些年来发展最快、最具活力的研究领域。光伏器件可以帮助我们将太阳能转换成电能,是人类社会解决环境问题,应对能源危机以及寻求可持续发展的重要对策

太阳能电池技术经过半个多世纪的发展,目前主要有单晶/多晶硅太阳电池、染料敏化电池、有机太阳电池、无机半导体(砷化镓、碲化镉、铜铟镓硒等)薄膜太阳电池等不同类型的太阳电池。自2012年以来,一种新兴的太阳能电池:有机无机杂化钙钛矿太阳能电池在国际上备受重视。这是由于钙钛矿材料具备吸光能力强、载流子寿命长、迁移率高、可溶液加工等诸多优势。

钙钛矿太阳能电池的预估效率大概是31%,这表明钙钛矿太阳能电池在效率上仍有很大的发展空间。界面工程是提高钙钛矿太阳能电池效率的有效手段之一,界面材料的选择,界面电荷的产生、收集和运输效率对钙钛矿太阳能电池的性能也至关重要。此外,钙钛矿太阳能电池的稳定性也与界面直接相关。界面调控能够实现更好的能级匹配、消除迟滞、延迟电荷重组以及提高器件长期稳定性等。

电极材料界面处理

一般选用高逸出功的金属或金属氧化物作为钙钛矿太阳能电池的电极材料,例如Au,ITO,FTO等。钙钛矿薄膜的界面问题包括表面粗糙度、表面原子价态、表面缺陷。

等离子体处理技术基本原理

等离子体状态是物质存在的基本形式之一,是不同于气体、液体和固体的物质第四态,是离子、电子、原子、分子和自由基等粒子组成的集合体。电子通过电场加速给以能量,物质被解离成阴,阳离子,此时整个体系中阴,阳离子总电荷相等,对外呈电中性,因此称为等离子体。近年来,等离子体技术在材料、微电子、化工、机械及环保等众多学科领域中得到了广泛地应用。

等离子体表面处理就是让等离子体与材料表面接触,在等离子体作用下改变材料表面性能。等离子体表面处理通常采用非聚合性气体如Ar、N2、H2、O2等,参与等离子体表面处理反应。

等离子体处理在钙钛矿电池制备中的应用

等离子体表面处理技术已经被广泛应用于OLED和有机太阳电池中。如氧等离子体处理FTO表面有效清洁FTO,提高FTO表面浸润性同时提高ITO的功函数,降低FTO和活性层的势垒,提高器件的光电性能。NH3、N2O等离子体能够提高FTO的功函数,而H2、Ar、Ne等离子体能够降低FTO功函数。因此,等离子体处理可以有效调节FTO功函数而被广泛应用在有机太阳电池中。

提高电极表面的浸润性以提高太阳电池的器件性能在钙钛矿太阳能电池中同样适用。采用UV紫外处理FTO,制备了无致密层平面钙钛矿太阳能电池并得到了12%的光电转换效率。O2等离子体处理在提高浸润性方面的功能可与UV紫外处理相匹配,因此理论上用O2等离子体处理FTO同样能得到有效工作的钙钛矿太阳能电池。同时随着平面钙钛矿太阳能电池的发展,越来越多的有机太阳结构被用于钙钛矿太阳能电池中。用等离子体调节FTO功函数并将其应用于平面有机结构钙钛矿太阳电池中又可能会进一步提高钙钛矿太阳能电池。

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