钙钛矿活性层的结晶及形貌调节以优化钙钛矿太阳能电池的光伏表现

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对于钙钛矿太阳能电池,其活性层的结晶性状及形貌特征直接关系到电池器件的光伏表现。因而实现对钙钛矿(CH3NH3PbI3)薄膜的结晶性控制一直是研究的主要方向之一,大量的相关科研工作已经被报道,包括前驱体溶剂的选择,反溶剂的应用以及溶剂退火工艺等。本文在两步法制备CH3NH3PbI3薄膜时,通过预处理PbI2薄膜层,实现了CH3NH3PbI3的结晶性调控,从而改善了CH3NH3PbI3薄膜的质量。本文用XRD、SEM、UV-vis光谱、PL光谱、I-V测试以及外量子效率测试等表征技术对CH3NH3PbI3薄膜及所制备的钙钛矿电池器件的性能进行了分析,并测试了其瞬态行为。主要工作内容如下:(1)采用NH4I作为添加剂制备PbI2薄膜,由于NH4I与PbI2反应形成了NH4PbI3的中间相,经过90℃的热退火过程,可逆转变为PbI2,研究表明NH4I具有钝化PbI2结晶的作用。其中,添加NH4I的最佳摩尔比率PbI2/NH4I为6:1。通过调节PbI2结晶,我们获得了平整致密无针孔的PbI2薄膜。由摩尔比率为6:1的PbI2/NH4I溶液制备的CH3NH3PbI3薄膜相比于未添加NH4I的对照组CH3NH3PbI3薄膜,显示了更长的载流子寿命,表明了其更低的缺陷态浓度。由此,质量得到改善的CH3NH3PbI3薄膜应用于钙钛矿太阳能电池时,加强了电池器件的VOC及FF,同时还大大提高了电池器件的重复性。(2)发现一种新的方法可以用来实现钙钛矿的取向性生长。具体步骤为,在两步法制备CH3NH3PbI3薄膜时,通过在PbI2薄膜上预沉积一层tetraphenylphosphonium chloride(TPPCl),能实现钙钛矿的取向生长。由TPPCl处理的CH3NH3PbI3薄膜显示了更大的晶粒尺寸以及规则多边化的晶粒结构,同时CH3NH3PbI3薄膜晶粒经证实优先于(110)及(220)晶面上生长。通过TPPCl预处理的钙钛矿电池器件相比于未处理的对照组,其开路电压(VOC)从1.04 V提高至1.12 V。不仅如此,由TPPCl预处理的钙钛矿电池器件获得了最大光电转化效率超过18%。此外,我们还发现由TPPCl预处理的钙钛矿电池器件有利于抑制载流子的复合过程,加强提取效率。因此,实验结果表明我们的工作为加强CH3NH3PbI3的结晶取向以及提高器件VOC提供了新的策略。
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