反式钙钛矿太阳能电池的吸光层和界面层的缺陷钝化与性能优化研究

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钙钛矿太阳能电池自2009年出现以来,其光电转换效率由最初的3.8%迅速上升到2017年的22.7%。如此高的效率,除了钙钛矿材料本身优异的光电性能以外,高质量的钙钛矿薄膜,以及合适的界面材料也极为重要。因而目前大量的研究工作都聚焦于制备出高质量的钙钛矿薄膜,以及探究界面层的工作机理并进行优化,以获取高效并且稳定的钙钛矿太阳电池。本文主要针对反式平面结构太阳能电池的钙钛矿吸光层以及缓冲层展开工作并取得以下成果:  (1)采用添加剂辅助旋涂法,在MAPbI3钙钛矿中引入CaI2添加剂,对薄膜形貌进行钝化,制备出致密,平整,且平均晶粒尺寸达到550nm的高质量钙钛矿薄膜。相比原始MAPbI3薄膜,CaI2掺杂钙钛矿膜的缺陷态密度由5.76×1016cm-3降低至3.35×1016cm-3,相应的荧光寿命也从65秒增加到133秒。基于这种高质量的钙钛矿薄膜制备的有机-无机杂化钙钛矿太阳电池取得了高达19.3%的光电转换效率。相比之前文献所普遍采用的过量PbI2作为钝化剂(5%),本文以CaI2作钝化剂,其添加量更少,仅仅只需要0.5%,约为PbI2钝化剂的十分之一。因为添加量极少,在取得良好钝化效果的同时,对钙钛矿晶格的影响也很小,因而其长期稳定性要远远好于采用PbI2钝化剂的钙钛矿太阳电池。  (2)鉴于MAPbI3的热稳定性较差,目前无机钙钛矿引起了研究者的大量关注,尤其是CsPbI2Br无机钙钛矿,其具有良好的热稳定性,同时带隙(~1.9eV)又适合于叠层太阳能电池。但CsPbI2Br钙钛矿对湿度很敏感,在日常空气中极易从具有良好光电性能的黑色立方相转变为性能很差的黄色相,给研究工作带来极大的不便。同时,无机钙钛矿太阳的VOC普遍较低,这也导致其效率难以提升。为此,在本文中,我们将少量的疏水材料MACl,添加到CsPbI2Br原驱液,在调控带隙的同时,因为MACl良好的钝化效果,制备出致密而又均匀的无机钙钛矿薄膜。而且,跟预期一致,该薄膜表现出良好的湿度稳定性。基于这种高质量的CsPbI2Br薄膜而制备的钙钛矿太阳电池取得了13.1%的效率,且开路电压显著提升,高达1.22V。我们推测开路电压的增大受益于钙钛矿薄膜带隙的变大(由掺杂前的1.9eV变为掺杂后的1.95eV),以及MACl钝化作用带来的缺陷浓度降低和非辐射复合减少。  (3)为探讨缓冲层在高性能反式钙钛矿太阳电池中的作用,我们借助于太阳能电池的单二极管模型研究BCP缓冲层对钙钛矿电池性能的影响。结果表明,当制备的电池没有BCP层,或者BCP层太厚时,电荷累积将出现在“PCBM/Ag”或“PCBM/Thick-BCP”的界面处,导致电池性能显著降低。但如果在PCBM/Ag的界面处插入一层极薄的BCP层(5nm),界面处就可形成欧姆接触,从而消除PCBM和Ag电极之间的电荷累积,从而改进器件的JSC和FF,获得高达17.9%的光电转换效率。进一步地,我们借助于C-V特性测试证实了电荷累积效应的存在和影响。该工作很好地揭示了PCBM和Ag电极之间电荷累积的机制,为缓冲层的优化提供了理论依据,并为检测与电荷积累相关的器件缺陷提供了新的线索。  (4)采用无机材料MgF2作为缓冲层,经过优化以后,当MgF2厚度为1nm时,钙钛矿电池取得较高的转换效率,通过电池C-V特性的测试,发现在MgF2缓冲层厚度为1nm时,电荷累积效应可以很好的消除。此外,因为无机材料MgF2的高稳定性,对电池起到一个封装保护作用,电池因此取得了良好的长期稳定性。
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