二维层状结构在钙钛矿太阳电池中的应用研究

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三维卤化物杂化钙钛矿太阳电池引起了极大的关注,成为了太阳电池领域的研究热点。由于具有宽导带和价带的有利电子能带结构,三维钙钛矿通常具有卓越的光电特性。近年来,典型的三维有机-无机卤化物钙钛矿太阳电池(PSC)的光电转换效率(PCE)从3.8%快速增长到认证的25.7%,可与硅基太阳能电池相提并论。然而,PSC的长期内在不稳定性限制了它们未来的进一步应用。例如,MA+基钙钛矿(MAPbI3)在高温和潮湿环境下容易降解,FA+基钙钛矿(FAPbI3)存在相不稳定问题,全无机Cs+基钙钛矿(CsPbI3)也面临着相位不稳定的问题。在过去的几年中,研究人员非常关注改善PSC的长期稳定性。已采用各种途径来提高PSC器件的稳定性,包括缺陷钝化、形态改性、相位稳定、组件工程和添加剂控制。此外,使用二维作为有效类别也表现出极大的潜在能力来完善PSC的稳定性。二维钙钛矿表现出优异的结构多样性,其性质可以通过间隔阳离子进行调节。将二维钙钛矿引入三维钙钛矿已引起越来越多的关注。二维钙钛矿由于其出色的稳定性,尤其是优异的防潮性,已成为长期稳定PSC的常见选择。在本论文中,我们主要围绕二维结构对于钙钛矿太阳电池稳定性的影响进行了研究,主要包括以下几部分:研究了基于超疏水的4-(三氟甲基)苄胺(4TFBZA)作为间隔阳离子的高效稳定的准二维(quasi-二维)杂化钙钛矿太阳电池。发现疏水性4TFBZA的掺入可以有效地诱导梯度二维(SUG-二维)结构的形成,钝化陷阱态并抑制离子运动。同时,4TFBZA离子与甲胺离子之间的F….H-N强氢键可以有效抑制钙钛矿的分解,使器件具有更好的热稳定性。此外,由于具有疏水性4TFBZA的SUG-二维结构,该器件还表现出更好的水分稳定性。基于SUG-二维结构的器件具有17.07%的功率转换效率和1.10V的高开路电压和71%的填充因子。这些结果揭示了以4TFBZA作为间隔阳离子的准二维杂化钙钛矿具有优异的光伏性能和固有稳定性。通过在三维钙钛矿两端形成双二维钙钛矿结构(二维/三维/二维),提高了内部电荷传输,实现钙钛矿的内部自封装,获得高效稳定的钙钛矿太阳电池。二维/三维/二维结构可以同时实现从块状钙钛矿到表层的有效空穴提取,以及减少从底层到块状钙钛矿的界面非辐射复合。此外,双层二维钝化结构通过改进的能级排列进一步促进了整个器件中的电荷转移,并通过抑制离子迁移来稳定钙钛矿界面和晶格,从而导致VOC增加。具有双二维钝化层的钙钛矿器件的PCE超过21.57%(稳定效率为20.7%),滞后可忽略不计。由于钙钛矿材料本身稳定性的提高和晶体缺陷的钝化,二维/三维/二维PSCs对湿度和高温表现出优异的长期稳定性。这一发现为器件界面封装提供了有效策略,有利于在实际应用中实现高效稳定的钙钛矿光伏器件的制造。
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