双功能MXene量子点缺陷抑制机理及钙钛矿太阳能电池研究

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自2009年Miyasaka等人首次报道甲基铵碘化铅(CH3NH3Pb I3,MAPb I3)作为第三代光伏新兴技术的吸光材料以来,钙钛矿太阳能电池(PSCs)获得了极大的关注。PSCs由电子传输层(ETL)和空穴传输层(HTL)及钙钛矿型活性层(perovskite)以及用于提取正负电荷的电极组成。对于PSCs,开发新的电子传输材料(ETM)和改变钙钛矿层及ETL是提高器件效率和稳定性的有效途径。在PSCs中添加合适的材料以提高性能与制备高效钙钛矿薄膜本身同样重要。量子点(QDs),通常作为层间或缓冲层插入,以改善钙钛矿/ETL界面的电荷注入或收集,从而提高PSCs的效率和稳定性。本人合成了MXene Ti3C2Tx量子点(TQDs),并将其引入到PSCs的ETL和钙钛矿层中。TQDs既表现出MXene材料的良好导电性,又表现出量子点的尺寸依赖性可调谐光电特性。通过将TQDs与二氧化锡量子点(SnO2 QDs)混合作为ETL,我们可以提高ETL的导电性。此外,还发现在钙钛矿层中引入TQDs可以有效地降低钙钛矿层的缺陷密度,提高载流子传输效率。各种实验技术证明,TQDs可以提高ETL的导电性,增加钙钛矿薄膜的结晶尺寸,改善载流子分离和传输。在TQDs改性PSCs的基础上,实现了从16.83%到18.74%的无滞后光电功率转化效率(PCE)的显著提高。改进后的PSCs的长期环境稳定性也有了明显的改善,热稳定性和光稳定性也有所提高。同时,本人制备了硼烯(boronene)纳米片,通过一种简单的实验方法,将boronene、SnO2 QDs混合,通过在空气中低温退火,制备SnO2 QDs-boronene复合ETL。通过将SnO2 QDs-boronene复合层作为PSCs的ETL,可以优化PSCs器件的界面,提高ETL的导电性,增加钙钛矿薄膜的结晶尺寸,改善载流子分离和传输,器件的各项性能获得了提升。优化后的基于SnO2 QDs-boronene ETL的PSCs器件的PCE为18.67%,而基于二氧化锡(SnO2)ETL的器件的PCE仅为17.03%。此外,基于SnO2 QDs-boronene复合ETL的PSCs的长期环境稳定性、光照稳定性和热稳定性也更好。
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