钙钛矿薄膜的缺陷钝化与柔性钙钛矿太阳能电池的研究

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钙钛矿太阳能电池是一种具有颠覆意义的新型光伏技术,在短短十多年时间里,其效率从3.8%迅速增长到25.7%,展现出了巨大的研究价值和市场应用前景。相比刚性电池,柔性钙钛矿太阳能电池(FPSCs)具有高功率重量比、可卷绕弯曲、易携带、可卷对卷连续制备等优点,在光伏建筑一体化、无人机飞艇电源、便携式电源等方面有独特的应用优势。但聚合物柔性基底在制备过程中易发生弯曲、不能耐受过高温度,在柔性基底上制备的钙钛矿薄膜质量有待改善,钙钛矿薄膜中的缺陷会引发载流子非辐射复合和离子迁移,影响器件光电性能及稳定性。针对这一问题,本论文以平面反式钙钛矿太阳能电池为研究对象,通过引入一系列烷基二铵碘盐来钝化薄膜中的各类缺陷,提高了器件的性能和稳定性。主要研究内容如下:(1)将不同量的丙二铵碘、丁二铵碘、己二铵碘分别加入到了钙钛矿前驱体溶液中,制备了结构为ITO/PTAA/FA0.85Cs0.15Pb Br0.15I2.85/PCBM/BCP/Ag的反式钙钛矿太阳能电池,其中掺入4 mg m L-1丁二铵碘(BDAI2)的电池效率从20.8%提升到23.1%(面积为0.09 cm~2)。第一性原理计算得出三种二铵碘中BDAI2在FA空位缺陷上的吸附能最强,能使该缺陷的形成能达到最低,抑制了载流子在缺陷处的非辐射复合。测试结果说明,添加BDAI2的器件缺陷态密度降低,非辐射复合减少。添加BDAI2的钙钛矿薄膜中没有形成二维钙钛矿,薄膜表面更偏向于n型半导体,有利于载流子在钙钛矿/PCBM界面处的传输。带烷基链的添加剂分子可以增强钙钛矿层的疏水性能和热学性能,从而提高电池的热稳定性和工作稳定性,加入BDAI2的未封装器件在N2手套箱中85℃老化500小时后,仍保持初始PCE的96%以上。封装之后在大气环境中以最大功率点连续跟踪1000小时仍保持初始PCE的92%。(2)将现有的高效率器件结构转移到柔性基底上,优化了最佳的钙钛矿退火温度,基于PEN、PET柔性基底的器件最佳光电转换效率分别达到17.8%、16.6%。PEN柔性基底的方阻比PET小,对应电池内部缺陷较少,电池性能更好,将其确定为最合适的柔性基底。由于PEN柔性基底背面的反射现象比较严重,通过模拟计算和实验优化得到,90 nm厚度的Mg F2减反射层,能使PEN基底的透光率显著增大。柔性电池的JSC从20.96 m A cm-2提高到了22.19 m A cm-2。将BDAI2加入到钙钛矿前驱体溶液中,制备了效率达到20.9%的柔性钙钛矿太阳能电池,功率质量比为0.639 W g-1。将器件在不同的弯曲半径下(2~8 mm)弯折测试其机械稳定性,基于BDAI2添加剂的电池在5 mm的弯曲半径下,经过50次的弯折器件效率仅降低了4%,弯折1000次后仍保持了初始效率的81%。
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