组分—界面综合工程制备高性能钙钛矿太阳能电池

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有机-无机杂化卤化物PSCs(perovskite solar cells,简称PSCs)在过去的十余年迅速发展,其光电转换效率从一开始的3.81%已经发展到目前的25.5%。钙钛矿材料的优异性能使其具有的较好的商业化前景,但钙钛矿内在结构存在不稳定性,受到了光、湿度、氧气、热等因素的影响,钙钛矿材料自身容易发生降解。这也限制了相关器件效率的进一步提升。本论文主要以碘化铅和碘甲胺作为原料,通过一步旋涂法制备碘铅甲胺钙钛矿薄膜。同时,采用硫氰酸钾(KSCN)和硫氰酸钠(NaSCN)作为钝化剂,对晶体的结构、形貌和光电化学稳定性进行了系列表征。在此基础上,制备了高效稳定的钙钛矿光电器件。主要开展以下工作:(1)采用氯苯作为反溶剂制备钙钛矿膜层,通过优化各工艺参数组装成FTO/Sn O2/MAPb I3/Spiro-OMe TAD/Au器件结构,并且利用FE-SEM、EDS、PL、XRD、UV-vis、电化学工作站和J-V曲线等测试表征手段,探究钙钛矿膜层光电性能。围绕如何制备高效稳定PSCs的问题,进行科学合理的综合分析。目前制备MAPb I3钙钛矿最优的工艺参数为前驱体溶液浓度为1.4 M,旋涂转速为4000 rpm,反溶剂滴加时间为6~8 s。此时,平面结构PSCs的最高光电转换效率17.1%。(2)采用KSCN钝化钙钛矿薄膜缺陷,制备高效稳定的PSCs,经过KSCN修饰的PSCs光电转换效率高达17.76%,而未经过修饰的PSCs光电转换效率只有16.33%。值得关注的是,与未经过KSCN修饰的钙钛矿膜层相比,KSCN修饰能够显著改善钙钛矿薄膜的形貌和结晶度,薄膜的晶粒尺寸明显增大,结晶性显著提高,而且可以改善钙钛矿光吸收层的光学和电学性质,在钙钛矿和电荷收集层之间的界面处的载流子提取也被增强。(3)以NaSCN作为钙钛矿钝化剂,用于溶液法制备PSCs中。通过NaSCN的界面钝化,改善了钙钛矿薄膜表面形貌与空穴传输材料的层间接触。SEM和XRD测试结果表明,引入NaSCN改善了钙钛矿薄膜的结晶过程。空间电荷限制电流测试,进一步证明,引入NaSCN能够显著有效降低缺陷态密度,从而减少空穴-电子复合中心,使得经过NaSCN修饰的PSCs的光电转换效率高达18.91%,未经过修饰的器件效率只有16.33%。同时,NaSCN对于不同组分的钙钛矿材料也有提升作用,对于提升钙钛矿电池光电性能具有普适性。值得关注的是,NaSCN的界面钝化能够有效减缓太阳能电池器件光电性能的衰减,使其在空气中储存1000 h仍能保持85%的初始效率。
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