【摘 要】
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作为新兴光伏电池的代表,钙钛矿太阳能电池近年来发展迅猛,光电转换效率屡创新高,受到了学术界和工业界的广泛关注。然而,钙钛矿太阳能电池的低稳定性是其商业化的主要障碍。通常,钙钛矿太阳能电池由空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和电极组成。其中,空穴传输层直接与钙钛矿接触,其稳定性对于电池器件的稳定性具有重要影响。因此,开展空穴传输层稳定性研究对于推动钙钛矿太阳能电池的商业化进程至关重要。本论文针对钙钛矿
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作为新兴光伏电池的代表,钙钛矿太阳能电池近年来发展迅猛,光电转换效率屡创新高,受到了学术界和工业界的广泛关注。然而,钙钛矿太阳能电池的低稳定性是其商业化的主要障碍。通常,钙钛矿太阳能电池由空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和电极组成。其中,空穴传输层直接与钙钛矿接触,其稳定性对于电池器件的稳定性具有重要影响。因此,开展空穴传输层稳定性研究对于推动钙钛矿太阳能电池的商业化进程至关重要。本论文针对钙钛矿太阳能电池空穴传输层的稳定性进行了详细的研究,主要包括空穴添加剂、空穴掺杂剂以及空穴掺杂方式的开发与研究,具体研究结果如下:(1)针对传统Li-TFSI/t BP的空穴掺杂体系存在的Li+迁移、Li-TFSI吸湿和t BP易挥发等问题,开发了一种冠醚类添加剂12-crown-4替换t BP用于经典空穴传输材料Spiro-OMe TAD。结果表明,除了有氧条件下的掺杂过程外,12-crown-4和Li+的螯合物Li+(12-crown-4)还可以在无氧条件下掺杂Spiro-OMe TAD,进一步提升了空穴传输层的电学性能。基于Li-TFSI/12-crown-4掺杂的钙钛矿太阳能电池实现了20.19%的效率。此外,12-crown-4与Li+的螯合作用会抑制Li+的吸湿性以及其在器件内部的迁移,并且12-crown-4的疏水骨架还可以提升空穴传输层的抗湿性。与此同时,12-crown-4的溶剂化效应可以显著提升Li-TFSI在氯苯中的溶解性,得到更加均匀致密的空穴传输层。基于Li-TFSI/12-crown-4掺杂的钙钛矿太阳能电池在空气中老化30天后仍能保持初始效率的82%,而基于Li-TFSI/t BP掺杂的电池30天后效率衰减至初始的37%。(2)Li-TFSI掺杂的Spiro-OMe TAD通常需要一个缓慢且不可控的曝光过程来获得较好的电学性能,这个曝光过程会影响电池器件的稳定性与可重复性。因此,开发了一种基于全氟辛烷的预掺杂方法用于经典空穴传输材料Spiro-OMe TAD。全氟辛烷可以大量溶解O2以及CO2,并且具有强的吸电子基团,其在溶液的气体鼓泡阶段就可以实现对Spiro-OMe TAD的掺杂,无需缓慢且不可控的曝光过程。研究结果表明,CO2也可以实现对Spiro-OMe TAD的掺杂,并且掺杂效果比O2更好。基于全氟辛烷的预掺杂方法制备的钙钛矿太阳能电池获得了20.04%的最高效率,高于传统方法制备的电池(18.66%),并且具有优异的稳定性以及可重复性。此外,由于全氟辛烷的疏水结构以及溶液阶段能够过滤部分有害副产物,和传统空穴传输层相比,基于此方法制备的空穴传输层具有更平整均一的形貌以及更优异的稳定性。(3)传统空穴掺杂剂Li-TFSI会带来吸湿、离子迁移等问题,并且需要引入添加剂来改善其溶解性与成膜性。但是,额外的添加剂会增加器件的工艺复杂度以及成本,并且可能会引入新的问题。因而,开发了一种新型疏水掺杂剂PFB-TFSI以取代传统掺杂剂Li-TFSI用于经典空穴传输材料Spiro-OMe TAD。与Li-TFSI需要氧气才能实现掺杂效果不同,PFB-TFSI由于其合适的HOMO和LUMO能级,可以直接氧化Spiro-OMe TAD。PFB-TFSI掺杂的空穴传输层与Li-TFSI掺杂的空穴传输层相比,具有更强的空穴抽取和传输能力。此外,由于PFB-TFSI良好的疏水性和溶解性,基于PFB-TFSI掺杂的空穴传输层具有优异的薄膜形貌以及稳定性。最终,PFB-TFSI掺杂的钙钛矿太阳能电池取得了19.16%的效率,并且在空气中老化30天后仍保持初始效率的88%,而传统Li-TFSI掺杂的电池在老化相同时间后效率仅剩35%。
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