气相沉积制备无机钙钛矿太阳能电池及其光电性质研究

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近年来钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells,PSCs)成为光伏领域研究的热点。目前取得25.7%最佳光电转换效率(Power Conversion Efficiency,PCE)的有机无机杂化PSCs中含有易挥发的有机组分,导致其长期运行稳定性较低。无机钙钛矿则以其较高的化学稳定性,逐渐引起研究者的关注,并且利用多策略辅助的溶液法将Cs Pb I3 PSCs的PCE迅速发展到21%。但过程中易引入有机组分,而气相沉积作为一项可实现均匀、致密、且没有溶剂影响的薄膜沉积工艺,在制备组分纯化的全无机钙钛矿时展现出独特的优势。由于Cs Pb I3钙钛矿因结构容忍因子(约0.8)较小,导致其在室温下相结构不稳定,然而目前传统共蒸气相沉积Cs Pb I3的相稳定性优化策略较为匮乏,这导致了共蒸Cs Pb I3光伏性能发展滞后。因此,改进传统共蒸气相沉积Cs Pb I3相稳定性的提升策略是无机钙钛矿发展的重难点工作。本论文聚焦传统共蒸气相沉积Cs Pb I3钙钛矿相稳定性差的问题,基于阴离子组分调控策略,通过共蒸掺杂工艺实现了卤素位阴离子的精准掺杂。制备的Cs Pb I2Br混合卤素钙钛矿与传统共蒸Cs Pb I3相比,优化了钙钛矿结构容忍因子,抑制了室温下晶格结构的扭转,从而改善了材料的相稳定性。基于此,通过高通量实验对混合卤素钙钛矿中的Br-掺入量进行梯度调节,结合薄膜的X-射线衍射物相分析及扫描电子显微镜形貌分析,发现Br-含量对薄膜中不导电零维相Cs4Pb I6-xBrx的形成与分布有显著影响。进而通过优化Br-掺入量,平衡了材料相稳定性和光伏性能。进一步地,本论文围绕突破传统共蒸气相沉积Cs Pb I3相稳定性差的问题,兼顾相稳定性和光伏性能的提升,开发了一种新型工艺“二次共蒸气相沉积”,并利用该工艺制备了Cs Pb I2.85Br0.15钙钛矿。具体地,该新型工艺通过一次共蒸Cs Pb I2Br薄膜,二次共蒸Cs Pb I3薄膜并结合高温退火过程形成完整Cs Pb I2.85Br0.15钙钛矿。与传统共蒸制备的Cs Pb I3相比,该新型工艺一次共蒸引入的少量Br-发生自下而上的热扩散,优化了最终Cs Pb I2.85Br0.15薄膜中零维Cs4Pb I6-xBrx的含量及分布,实现了结晶取向和形成能的优化,基于此改善了材料的相稳定性,提升了器件PCE至16.16%。
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