平面钙钛矿太阳能电池吸光层及界面修饰的研究

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钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells,PSCs)是近10年来新兴的一种薄膜太阳能电池。钙钛矿材料具有高光吸收系数、高载流子迁移率、长载流子传输距离以及可溶液加工等优点,其作用为吸收光子产生光生载流子。对于PSCs来说,钙钛矿吸光层的结晶质量是制约器件光电转换效率的关键问题之一。高效稳定的钙钛矿材料不仅确保了充分的光捕获,还可以减少深能级复合中心的产生,减少非辐射复合,提升电荷传输效率,从而提高器件性能。除此之外,界面材料对于器件性能也具有重要作用。能级匹配的两个界面有利于电荷的提取和传输,进一步改善器件效率。因此,怎样获得优异的钙钛矿吸光层以及与其更加匹配的界面材料是制备高效率PSCs亟待解决的问题。针对钙钛矿吸光层质量问题和界面材料问题,本论文主要利用添加剂工程对钙钛矿薄膜结晶质量、形貌进行了有效调控,同时研究了界面改性对于PSCs光电转换效率(Photoelectric Conversion Efficiency,PCE)和迟滞效应的影响,具体开展的研究内容如下:1.镓(Ga)离子掺杂氧化锡(SnO2)电子传输层。平面型PSCs几乎都存在电流-电压滞后现象,这是主要源于界面能级不匹配,表面缺陷以及离子迁移等引起的。本研究通过低温溶液方法将Ga掺杂到SnO2纳米晶体电子传输层中,以此降低器件中的迟滞效应。研究结果表明,Ga掺杂使SnO2导带底上移,从而使钙钛矿层((FAPbI3)0.97(MAPbBr3)0.03)与SnO2电子传输层能级更加匹配,提高了电子的注入效率和减少了电子、空穴复合。通过优化Ga的掺杂浓度,PSCs获得了 18.18%的PCE,并将迟滞因子从23.9%降低至1.7%。此掺杂方法显著降低PSCs存在的电流-电压滞后现象,具有工艺简单、成本低的特点,为PSCs商业化应用奠定了基础。2.烟酰胺(nicotinamide,NTM)修饰(FAPbI3)0.97(MAPbBr3)0.03 吸光层。优异结晶度和微晶尺寸的钙钛矿薄膜对于高效稳定的PSCs至关重要。钙钛矿晶体陷阱态已经证明可以被路易斯酸或碱官能团有效地钝化。研究发现NTM可以作为路易斯碱添加剂,将其引入PbI2或FAI:MABr:MAC1混合前驱体溶液,可以获得NTM改性的钙钛矿薄膜。通过NTM改性后的钙钛矿薄膜,晶粒尺寸达到了微晶级别,有效改善了 PSCs的性能。研究结果表明,NTM通过自身氨基和吡啶官能团与钙钛矿中Pb2+、I-等离子产生耦合作用,在钙钛矿薄膜结晶期间增加其结晶活化能,提供具有优选取向的钙钛矿薄膜,减少了离子迁移,增大了PSCs的稳定性。通过优化NTM的添加量,器件PCE从19.36%提高到21.70%。将具有氨基和吡啶官能团的小分子作用于钙钛矿吸光层,获得质量优异的钙钛矿薄膜,这一工作为制备高质量钙钛矿吸光层提供了新策略。3.氯化胆碱修饰(FAPbI3)0.97(MAPbBr3)0.03吸光层。钙钛矿薄膜表面和晶界上电子缺陷的钝化已成为抑制PSCs中电荷复合的最有效策略之一。本研究通过将不同浓度的氯化胆碱添加在PbI2前驱体溶液中,以制备出致密、无针孔的(FAPbI3)0.97(MAPbBr3)0.03吸光层。研究结果表明,通过氯化胆碱钝化钙钛矿薄膜缺陷,提高了钙钛矿薄膜质量,有效的缺陷钝化降低了电荷陷阱密度并延长了载流子寿命,从而将PSCs的开路电压(Voc)提高至1.17 V。当氯化胆碱的添加量为90 mM时,器件PCE从19.33%提升到22.31%。此研究方法与路易斯酸碱钝化钙钛矿薄膜缺陷理论方法相比,氯化胆碱钝化钙钛矿薄膜缺陷表现出更好的PCE,为制备高性能PSCs提供了新思路。
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