基于两性离子改性的钙钛矿太阳能电池研究

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钙钛矿太阳能电池(PSCs)具有高光电转换效率、低成本和制备工艺简单的优点,受到了科研人员的广泛关注。钙钛矿晶体生长和后处理过程中不可避免地会产生各种点缺陷及晶界缺陷,并且钙钛矿层与相邻载流子传输层之间的异质界面也会生成大量界面深能级缺陷。这些缺陷会引发载流子的非辐射复合,阻碍光生载流子传输,导致电池器件的效率及稳定性的降低。本论文将具有多个功能性官能团的两性离子左旋肉碱盐酸盐(L-ch)和三氟乙酰胺(TFA)引入到PSCs器件中,分别作为界面修饰材料及钙钛矿薄膜添加剂,改善了钙钛矿层/载流子传输层的界面接触,提高了钙钛矿薄膜质量,获得较高性能的PSCs器件。论文的主要内容如下:1、将具有多个官能团的两性离子L-ch引入Sn O2纳米晶胶体溶液中,-COOH基团与Sn O2中未配位Sn发生强化学相互作用抑制了Sn O2纳米颗粒的团聚,同时减少了Sn悬挂键缺陷,进而改善Sn O2薄膜的质量和导电性。L-ch改性还可以调节Sn O2电子传输层(ETL)的导带位置,使其与钙钛矿导带更为匹配,促进界面处载流子的抽取与传输。改性后的Sn O2衬底会更平整,薄膜表面浸润性也会得到改善,诱导钙钛矿晶体的垂直生长。此外,L-ch中的阴离子基团(-COOH及Cl-)可以有效地钝化钙钛矿中未配位的Pb2+,而阳离子基团-N+(CH3)3则可以抑制I-的迁移及MA空位缺陷的产生。经过L-ch改性后PSCs的最高效率从18.77%提高到20.56%,同时器件的迟滞减少,稳定性提高。2、通过在钙钛矿薄膜表面旋涂两性离子L-ch的方式引入双功能钝化层。一方面,通过L-ch中的功能官能团钝化钙钛矿薄膜表面缺陷并使小尺寸的钙钛矿晶粒溶解再结晶,减少了晶界。另一方面,L-ch钝化层改善了钙钛矿层与空穴传输层(HTL)的界面接触,有利于HTL对钙钛矿层空穴载流子的抽取与扩散。改性后器件的填充因子(FF)明显提升,效率达到了19.88%,且电池器件具有较强的环境稳定性。3、引入适量的两性离子TFA添加剂对钙钛矿薄膜进行改性。TFA是一种带有-C=O、-NH2和-CF3基团的多功能小分子。TFA中的-C=O通过与未配位的Pb2+结合形成路易斯酸碱对,降低了钙钛矿的结晶速率,减少薄膜晶界,制备出高质量钙钛矿薄膜。-NH2与碘化物结合抑制离子迁移,并增加-C=O上的电子密度,进一步增强其钝化效果。此外,TFA中的-CF3基团可以在钙钛矿表面形成了有效的屏障,提高了钙钛矿的湿度稳定性。在TFA分子中多官能团的协同作用下,电池效率达到了19.82%,且能在湿度较高的环境中保持长时间的稳定性。
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