新型窄带隙吸光材料太阳能电池的化学稳定性及其调控

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量子点(QDs)和有机无机杂化钙钛矿两种新型窄带隙材料具有溶液制备、理论光电转换效率高、成本低等特点,且能有效利用太阳光谱中近红外区的能量。本论文围绕以QDs和钙钛矿为代表的新型窄带隙半导体作为吸光材料制备太阳能电池,并针对这两类电池的化学稳定性问题展开系统研究。针对量子点敏化太阳能电池(QDSCs)中多硫电解质器件开压较低,而碘电解质对QDs的快速腐蚀等关键科学问题,研究了该类器件的卤素配体修饰及其电解质稳定性。针对钙钛矿太阳能电池在水氧、紫外、加热条件下易分解,钙钛矿表面的缺陷影响电荷分离与复合过程等关键科学问题,研究了钙钛矿的老化机理,开展了界面修饰及混合离子手段调控钙钛矿化学稳定性的研究。主要结论如下:(1)通过碘离子配体包裹QDs,抑制其表面缺陷态,增强器件在碘电解质中的稳定性,并提高QDs与TiO2、QDs与电解质之间的电荷转移,从而制备了具有高开路电压的稳定器件。研究不同卤素离子配体与CdSe、PbS QDs的作用机制,I-由于与Cd2+、Pb2+之间的配合作用最强,具有最优稳定效果。另外,电泳沉积法制备的QDs薄膜,取得更大薄膜吸附量,有利于提高短路电流。(2)通过热力学理论计算及实验手段,研究了钙钛矿在水氧条件下的腐蚀过程及机理,首先钙钛矿与水分子结合,形成CH3NH3I(MAI)的水合物与PbI2,而MAI的水合物进一步分解生成MA和HI,HI与氧气的氧化还原反应及光分解过程,将导致反应不断向正向进行,最终转化为Pb I2和I2。通过在钙钛矿表面沉积一薄层氧化铝薄膜,可防止钙钛矿与水氧的接触,从而抑制其分解;组装成器件后,稳定性得到提升,另外氧化铝可以抑制器件中的电子复合。(3)相对于MAPb I3,Cs/MA、Br/I混合离子钙钛矿薄膜的取向由<110>/<002>方向改变为<112>/<200>,这是由于CsPbBr3钙钛矿的各晶面稳定能与MAPbI3不相同;另外,混合离子钙钛矿的晶格常数变小,可以减弱水分对钙钛矿晶体的入侵和腐蚀,而Cs/MA混合离子,能够减弱紫外光对甲胺的分解作用。(4)研究了MAPb I3薄膜受热分解的过程,发现氧气会加快其分解,MA氧化后以气体形式离开薄膜并留下孔洞;Cs/MA混合离子薄膜的A位原子氧化被抑制,从而提高其热稳定性。另外,Cs原子可以减少退火过程中MA受热缺失引起的缺陷态的形成,有利于器件填充因子和开路电压的提高,且由于Cs原子优先沉积,将导致薄膜厚度大于空白组,有利于器件短路电流的提升。
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