中间相辅助制备碳电极全无机混合卤素钙钛矿太阳电池研究

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全无机铅卤钙钛矿CsPbIxBr3-x(0≤x≤3)具有优异的光电学性质和热稳定性,是一类具有广阔发展前景的钙钛矿光伏材料。且结合丝网印刷复合碳材料,可制成碳电极全无机钙钛矿太阳电池,使其具有成本低廉、稳定性优良等诸多潜在优势,而已然成为钙钛矿光伏研究领域关注的热点之一。制备结晶质量高、缺陷密度低、无卤素相分离以及耐湿性优良的CsPbIxBr3-x薄膜是实现高效稳定碳电极全无机钙钛矿太阳电池的重中之重,也是当前其面临的挑战之一。本文以两种典型的全无机铅卤钙钛矿材料CsPbIBr2和CsPbI2Br为例,提出通过中间相调控促进薄膜生长的创新研究思路,分别开展了原位聚合物覆盖中间相退火制备CsPbIBr2薄膜和中间相辅助序列沉积法制备CsPbI2Br的实验研究工作。在细致研究薄膜生长相关物理化学过程与内在规律的基础之上,获得了高结晶质量、低缺陷密度的CsPbIBr2和CsPbI2Br薄膜,并有效抑制了CsPbIBr2薄膜的卤素相分离以及提升了CsPbI2Br薄膜在高湿环境下的相稳定性,而使碳电极全无机钙钛矿太阳电池的效率和稳定性得到大幅改善。本文的主要研究内容如下:(1)在传统一步溶液旋涂法的基础上,提出了原位聚合物覆盖中间相退火新策略,即在退火处理CsPbIBr2前驱体中间相薄膜之前,通过在其表面旋涂沉积聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶液而原位覆盖一层PMMA聚合物以调控CsPbIBr2晶粒的生长。通过调变PMMA溶液的浓度发现,利用3 mg/m L的溶液可制得平均晶粒为626nm、[110]择优生长、无卤素相分离的纯相CsPbIBr2薄膜,且可使碳电极全无机钙钛矿太阳电池的能量转换效率从8.71%显著提高至10.50%,优于几乎所有之前报道的相同结构的CsPbIBr2钙钛矿太阳电池。(2)以Cs I/H2O为前驱体,首次实现了中间相辅助溶液序列沉积生长CsPbI2Br薄膜。揭示了由Cs-Pb-I-Br络合物组成的Ruddlesden-Propper(R-P)钙钛矿中间相薄膜转变为CsPbI2Br薄膜和Cs Br副产物的化学反应机理,并得到了全覆盖、微米级晶粒和优良相稳定性的CsPbI2Br薄膜。同时,发现副产物Cs Br可有效钝化CsPbI2Br晶界而降低载流子的非辐射复合。因此,基于中间相辅助溶液序列沉积制备的碳电极全无机CsPbI2Br太阳电池的效率和开路电压达到了15.24%和1.312 V,为同期同类型器件国际领先水平。
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