钙钛矿太阳能电池光功能层的制备与优化

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有机-无机杂化钙钛矿(OIHP)具有吸收系数高,激子结合能低、光学带隙可调控以及电子-空穴的扩散长度长等优点,在光电器件方面引起了广泛的关注。得益于这些优良特性,钙钛矿太阳能电池(PSCs)的光电转换效率(PCE)在短短的几年时间内已从3.8%迅速增长到25.2%,与商用硅太阳能电池的效率十分接近。影响PSC性能的因素多种多样,其中钙钛矿光功能层的质量尤为重要。钙钛矿光功能层不仅起到吸收光能的作用还要实现光生载流子的有效传输和分离。利用低温溶液制备工艺获得的通常是多晶钙钛矿薄膜,表面和晶界处有大量缺陷,导致PSCs光电流的降低并加快钙钛矿分解。因此,制备表面均匀致密、大钙钛矿晶粒尺寸和低缺陷密度等的钙钛矿光功能层对于提升PSCs性能是极其重要的。本文围绕如何制备高质量的钙钛矿光功能层,采用溶剂蒸汽退火和钝化缺陷的方法进行探索,其研究内容和结果如下:(1)溶剂蒸汽退火处理醋酸铅基(PbAc2·3H2O)钙钛矿光功能层。通过一步溶液旋涂法制备以醋酸铅为铅来源的钙钛矿光功能层,与以碘化铅为铅来源的PSC相比,醋酸铅基PSC具有成本低廉,制备工艺简单等优势。在钙钛矿光功能层退火过程中引入N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂,诱导钙钛矿光功能层表面重结晶,增大晶粒尺寸,减少晶界和孔洞的数量。同时建立物理模型清楚显示溶剂退火的过程,并分析溶剂退火促进晶粒长大的机理。当溶剂DMF的体积为15 μL时,钙钛矿光功能层的平均晶粒尺寸最大(520 nm),孔洞数量最少,对应电池器件的最高PCE为13.71%。(2)醋酸盐(PbAc2·3H2O)修饰多元阳离子钙钛矿光功能层。在FA/MA/Cs钙钛矿前驱体溶液中添加少量的PbAc2·3H2O,PbAc2·3H2O的醋酸根与钙钛矿的A位离子形成氢键,使钙钛矿中间相更加稳定,有利于减缓钙钛矿的结晶过程。这不仅改善了钙钛矿光功能层的结晶质量,还减少了晶界缺陷形成的非辐射复合中心。当PbAc2·3H2O的掺杂量为2%时,钙钛矿光功能层的结晶质量最佳,吸光能力最强,对应电池器件的PCE为 20.39%。(3)苯磺酸盐(十二烷基苯磺酸钠,SDBS)钝化钙钛矿光功能层缺陷。SDBS由苯环,磺酸基,烷基链和钠离子组成。首先,含磺酸基的配体可与钙钛矿前体中的铅离子相互作用,导致SDBS附着在钙钛矿的表面上,抑制钙钛矿晶体的生长,改善钙钛矿光功能层的形貌。其次,电子供体芳香基团可能会降低解离碘导致的受体型陷阱态,钠可能填充钙钛矿A位离子产生的空位,降低载流子复合,有利于提升载流子的利用率。最后,长链烷基与钙钛矿前体中的碘形成氢键,减少钙钛矿的降解,有助于增强钙钛矿光功能层的稳定性。当SDBS的浓度为20 ppm,对应电池器件具有20.88%的PCE,可忽略的迟滞效应以及更好的空气稳定性。(4)烷基铵盐(双十烷基二甲基氯化铵,DDAC)修饰钙钛矿光功能层。一方面,烷基卤化物可作为氢键受体,DDAC能够与钙钛矿A位离子形成氢键,导致DDAC附着在钙钛矿晶核上,促进有利的晶粒取向和抑制陷阱态密度。另一方面,DDAC长的烷基疏水链可以排斥水分子,有助于延长钙钛矿光功能层的稳定性。当DDAC的添加体积为 1.5%,对应的 PSC 的 PCE 为 20.25%,平均 PCE 为 19.37%。
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