CsPbI3全无机钙钛矿太阳能电池传输层性能优化研究

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近年来,金属卤化物钙钛矿凭借其光吸收强、缺陷容忍度高、带隙可调、载流子扩散长度长、生产成本低等优点受到广泛关注,在太阳能电池领域展现出巨大的潜力。其中,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从2009年的3.8%迅速增长到2022年的25.7%,接近硅太阳能电池的效率。然而,有机-无机杂化钙钛矿材料中的有机阳离子在高温、光照等环境下容易挥发降解,表现出较差的光热稳定性,这限制了其商业化的应用。为了解决该问题,研究学者们提出通过用无机铯(Cs+)离子取代有机阳离子,制备出在光热环境下具有优异稳定性的全无机钙钛矿(Cs Pb X3,X=I,Br,Cl)。其中CsPbI3因为具有合适的带隙(Eg=~1.7 e V)受到越来越多的关注,成为一种新兴热门的光伏材料。CsPbI3全无机钙钛矿太阳能电池的效率及稳定性与载流子传输层及其界面特性息息相关。本论文通过优化电子传输层和空穴传输层,进而提高CsPbI3太阳能电池的光电转换效率与稳定性,其主要内容如下:(1)分析Spiro-OMe TAD空穴传输层诱导CsPbI3加速相变过程,明确其微观机理为Li TFSI吸水、TBP腐蚀及挥发的共同作用。通过调整添加剂含量实现Li TFSI与TBP之间的完全络合,降低Spiro-OMe TAD空穴传输层的吸湿性和对CsPbI3薄膜的腐蚀性,并抑制了TBP的挥发性,改善界面接触。并通过添加Co(III)TFSI提高其在氮气氛围中的氧化程度,进而提高空穴传输能力。最终CsPbI3电池器件获得了10.61%的光电转换效率,并且在存储30天后仍然可以保持其原始效率的81%。(2)SnO2电子传输层在ITO/SnO2/CsPbI3/Spiro-OMe TAD/Mo O3/Ag体系中存在能级不匹配的问题,不利于载流子传输。针对此问题,通过聚电解质PEIE修饰ITO电极,减小ITO/SnO2界面肖特基势垒,抑制电荷积累;通过沉积Li F抬升SnO2导带,降低电子在SnO2/CsPbI3输运中的能量损失。进一步,针对SnO2中存在氧空位导致载流子的非辐射复合,引入EDTA钝化其中的氧缺陷,改善载流子传输。通过以上手段,最终构建出一条高效的载流子传输通道,CsPbI3电池器件获得了15.57%的光电转换效率。(3)P3HT具有光电性能优异、成本低和化学稳定性高等优点,是Spiro-OMe TAD空穴传输层的有效替代材料。然而通过旋涂法制备的P3HT薄膜趋向于Edge on模式取向,这导致了其载流子迁移率低,不利于器件性能的提升。通过PMMA掺杂P3HT,打乱了Edge on取向,不仅可以提高其空穴传输能力,还可以在一定程度上提高P3HT薄膜的疏水性。最终,CsPb I3器件获得了14.26%的光电转换效率,在90%湿度环境下放置30分钟后仍然能保持初始效率的93.6%。
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