基于液晶性有机胺分子构建2D/3D钙钛矿薄膜及其太阳能电池

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近年来,有机-无机杂化钙钛矿因其优异的性能而成为最有前途的下一代光伏材料之一。目前,基于实验室的小面积钙钛矿太阳能电池效率已经达到25.7%,逐步赶超主流硅基太阳能电池。然而,尽管钙钛矿太阳能电池取得了一定突破,但其长期稳定性仍未满足户外运行超过25年的要求。为提高钙钛矿太阳能电池的稳定性,研究人员开发了二维(2D)钙钛矿材料。现已开发出众多基于不同有机间隔阳离子的2D钙钛矿材料,均表现出优异的稳定性。然而,纯2D钙钛矿材料存在禁带宽度大,激子束缚能高,光吸收系数低,载流子迁移率低等问题,从而限制其在光伏器件中的应用。为此,研究人员通过将大有机间隔阳离子引入到三维(3D)钙钛矿晶体结构中,形成2D/3D钙钛矿材料,此结构兼具2D钙钛矿良好的稳定性和3D钙钛矿优异的光伏性能,从而使其成为研究热点。然而,目前2D/3D钙钛矿太阳能电池中主要采用绝缘性质或仅含有一个π-共轭基团的大体积有机间隔阳离子,其电学活性不强,且分子间相互作用较弱,难以进一步提高器件效率和稳定性。因此,探寻新型功能性有机间隔阳离子,是发展高效稳定2D/3D钙钛矿太阳能电池面临的一大挑战。基于此,本论文采用一种新型功能性有机间隔阳离子——π-共轭联苯液晶有机胺,将其引入3D钙钛矿前驱体溶液中,制备2D/3D钙钛矿薄膜及其太阳能电池器件,重点探讨π-共轭联苯基元的引入及其烷烃链长度对2D/3D钙钛矿薄膜和光伏器件性能的影响。主要工作如下:首先,本文将具有π-共轭联苯液晶基元的2-4-联苯乙胺碘化物(BPEAI)作为有机间隔阳离子掺入Cs0.05(FA0.85MA0.15)0.95Pb(I0.85Br0.15)3钙钛矿前驱体溶液中,制备2D/3D钙钛矿太阳能电池。以辛胺碘化物(OAI)和苯乙胺碘化物(PEAI)作为对照,探究π-共轭联苯液晶基元的引入和引入量对2D/3D钙钛矿薄膜及其器件光伏性能的影响。结果表明,三种有机间隔阳离子的引入皆可有效钝化薄膜缺陷,改善钙钛矿薄膜质量。其中,相较于OAI和PEAI,由于BPEAI中含有π-共轭联苯液晶基元,从而能够诱导钙钛矿薄膜结晶取向,提高载流子传输和收集效率。因此,基于BPEAI的2D/3D钙钛矿器件效率达到20.83%。同时,因π-共轭联苯液晶基元具有较强的疏水性,使其钙钛矿薄膜和器件的湿度稳定性均得到显著提升。其次,本文选择三种烷烃链长度不同且均含有π-共轭联苯液晶基元的有机间隔阳离子,包括4-氨基联苯碘化物(BPAI)、4-苯基苄胺碘化物(PBAI)和2-4-联苯乙胺碘化物(BPEAI),将其分别作为有机间隔阳离子,制备2D/3D钙钛矿太阳能电池,探究烷烃链长度对2D/3D钙钛矿薄膜及其光伏器件性能的影响。结果表明,适当的烷烃链长度可充分发挥π-共轭联苯液晶基元的优势,有效钝化缺陷,促进钙钛矿晶粒的晶体生长和择优取向,从而提高器件效率和稳定性。基于PBAI的2D/3D钙钛矿器件最佳效率达到21.05%,且表现出优异的湿度稳定性。本论文工作为设计新型功能性π-共轭有机间隔阳离子,提高2D/3D钙钛矿太阳能电池器件效率和稳定性提供了新策略。
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