钙钛矿薄膜结晶调控及其光伏性能研究

来源 :南昌大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wangxingyu2009
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钙钛矿太阳电池因其优异的光电性能一直备受关注,迄今为止,钙钛矿太阳电池认证的光电转换效率(PCE)已突破25.2%。但钙钛矿太阳电池的商业化应用却一直没有进一步的发展,其限制条件在于钙钛矿材料及其相关器件较差的稳定性,钙钛矿在空气环境下易受到水氧等因素影响而分解,导致器件性能大幅度下降。迄今为止,所有高效的有机-无机卤化物钙钛矿太阳电池均由多晶钙钛矿薄膜制成,普遍具有高密度的缺陷。这些缺陷主要来源于针孔、空缺位、晶界以及不规则的钙钛矿晶体结构。此外,薄膜内部无序的晶体生长取向是另一个影响钙钛矿太阳电池性能的因素,例如在二维钙钛矿中,内部大型绝缘阳离子的存在阻碍了电荷的传输,只有通过调控晶体垂直于基底生长才能使载流子沿着无机层进行传输,从而实现制备高性能的钙钛矿太阳电池。因此,想要提高钙钛矿整体器件的稳定性和光电性能,优化钙钛矿吸光层的薄膜质量和结晶取向是必不可少的措施。为了调控钙钛矿吸光层的结晶,减少缺陷,获得高质量的薄膜,通过反溶剂法将[6,6]-苯基-C61-丁酸异甲酯(PCBM)和2,2’-[[6,6,12,12-四(4-己基苯基)-6,12-二氢二噻吩[2,3-d:2’,3’-d’]-s-引达省并二噻吩-2,8-二基]双[甲基亚基(3-氧代-1H-茚-2,1(3H)-二亚甲基)]]二丙二腈(ITIC)混合物作为双电子受体引入传统钙钛矿中,并成功地在钙钛矿顶部形成了混合夹层。PCBM:ITIC混合中间层充当电子受体,与相邻层能级更为匹配,有利于电子的提取和运输。并且PCBM:ITIC混合物钝化了钙钛矿中路易斯酸/碱缺陷,降低了陷阱密度,提高电荷迁移率。因此,钙钛矿太阳电池的PCE从14.00%提高到16.99%。同时,经过PCBM:ITIC混合溶液优化后,钙钛矿薄膜具有更加疏水的表面,使得其稳定性大幅度提升。相比于三维钙钛矿,二维钙钛矿具有更加优异的稳定性,但二维钙钛矿的PCE较低。为了提高其器件的光电性能,我们将二甲基亚砜(DMSO)和碘化钾(KI)加入二维钙钛矿的前驱体溶液来提高二维钙钛矿的薄膜质量和晶体取向,通过这种策略,我们成功制备具有垂直取向且致密平滑的高质量二维钙钛矿薄膜。另外,DMSO和KI的协同作用使二维钙钛矿倾向于形成更加有利于载流子自发分离传输的多相结构。最终,基于(PEA)2(MA)n-1PbnI3n+1(n=5)的二维钙钛矿太阳电池的PCE可以达到13.4%。同时,经过KI和DMSO优化后的二维钙钛矿底部为更稳定的低维相组分,可以作为屏障防止环境中的水分侵蚀内部钙钛矿,使得器件的稳定性大幅度提升,优化后的器件即使暴露在湿度为50%至60%的空气中300小时后,仍能保持原始PCE的90%。
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