全无机钙钛矿太阳电池的界面钝化研究

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全无机钙钛矿材料作为太阳电池的新型吸光材料受到广泛关注。经过不到10年的时间,各组分(Cs Pb I3,Cs Pb I2Br,Cs Pb IBr2,Cs Pb Br3)的全无机钙钛矿太阳电池已经取得了飞速的发展,其中Cs Pb IBr2钙钛矿材料因其合适的带隙、良好的热稳定性成为新的研究热点。由于钙钛矿太阳电池是多层结构,层与层之间的电荷传输受到界面的影响,界面缺陷和能级不匹配会导致非辐射复合增加,电荷传输损耗增大,从而降低Voc,限制了Cs Pb IBr2器件的性能。因此在提高钙钛矿薄膜质量的同时对钙钛矿层的相关界面进行修饰,增强载流子传输是至关重要的。基于此,本论文致力于通过对钙钛矿层的相关界面(底部界面和顶部界面)进行界面钝化处理,钝化界面上的缺陷,优化能级结构,改善钙钛矿的薄膜质量以提高钙钛矿太阳电池的器件性能。本文主要研究内容和结果如下:(1)针对Cs Pb IBr2薄膜覆盖性差,与Ti O2层之间存在界面缺陷的问题,采用钙钛矿层底部修饰,使用MAAc离子液体预旋涂在Ti O2电子传输层上,探究其对Cs Pb IBr2薄膜覆盖性、结晶动力学、缺陷密度和电池器件性能的影响。位于钙钛矿层底部的MAAc可以作为底部Cs Pb IBr2的成核中心,优化钙钛矿层的结晶,提高晶体质量,降低缺陷密度,达到提高器件性能的目的。结果表明:MAAc的引入大大减少了钙钛矿薄膜的针孔,降低了缺陷密度,显著提高了器件性能和稳定性。经过MAAc修饰后,器件的效率达到8.85%,明显高于原始器件的6.42%。(2)针对钙钛矿层底部和顶部界面存在的界面缺陷,本工作使用g-C3N4同时对钙钛矿层底部和顶部界面进行修饰,探究g-C3N4界面修饰对钙钛矿薄膜表面缺陷密度和器件性能的影响。我们通过不同的烧结工艺得到两种g-C3N4,其中白色g-C3N4(w-CN)具有多孔结构,可以提供更多配位机会,有利于钝化缺陷,提高结晶质量;黄色g-C3N4(y-CN)具有层状结构,有利于电荷传输,提高填充因子。使用g-C3N4同时钝化钙钛矿层底部和顶部界面,探究两种g-C3N4联合修饰对器件性能的影响,最终制备高效稳定的全无机钙钛矿太阳电池。结果表明:作为衬底,w-CN优化了能级排列,钝化了未配位的Pb2+悬挂键;用于顶部修饰,y-CN增加了钙钛矿活性层的光吸收并且提高了电荷转移速率,修饰后的Cs Pb IBr2薄膜由致密的晶粒组成,没有明显的针孔;g-C3N4界面修饰可以降低陷阱态密度,抑制非辐射复合,通过w-CN和y-CN的组合修饰,器件的最高PCE从7.80%提高至10.10%。此外,g-C3N4对于器件稳定性的提高也具有良好的作用,在70%湿度的环境空气中暴露40分钟后,组合修饰后的Cs Pb IBr2薄膜并未发生降解,而原始薄膜在相同环境下暴露20分钟即发生明显降解。该论文有图33幅,表9个,参考文献100篇。
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