基于界面钝化的全无机CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池稳定性研究

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钙钛矿太阳能电池(PSCs)在过去的十几年从3.8%的效率提高到25.7%,更重要的是,PSCs有望在未来商业化应用,并发展为优异的可持续能源。在钙钛矿材料中,不含挥发性成分的全无机卤化物钙钛矿成为克服杂化钙钛矿长期稳定性问题的最有前途的材料之一。Cs基卤化铅钙钛矿Cs Pb X3(X=I,Br,Cl)的电荷载流子迁移率与混合卤化物钙钛矿类似,但具有最合适带隙的CsPbI3容忍因子不理想,很容易降解为没有光活性的黄色相(δ相)。CsPbI2Br因其合适的禁带宽度和良好的热稳定性而备受关注。目前采用的低温退火方式得到的CsPbI2Br钙钛矿薄膜由于溶剂挥发不完全,致使薄膜结晶质量较差。较多孔洞的薄膜在空气中易捕获水分发生降解,丧失光电性能。解决CsPbI2Br的相变问题、得到稳定的α相CsPbI2Br钙钛矿,同时降低薄膜表面及晶界处的非辐射复合对获得高性能太阳能电池起着至关重要的作用。本文主要采用了表面钝化方法来提高全无机钙钛矿PSCs的器件性能和稳定性。使用β-胡萝卜素(β-C)对CsPbI2Br钙钛矿薄膜进行钝化处理,实现了高水稳定性的全无机钙钛矿太阳能电池。对β-C修饰的CsPbI2Br钙钛矿薄膜及器件的机理进行了深入探究发现,β-C中的碳碳双键可以通过路易斯酸碱相互作用与薄膜表面未配位的Br-结合,有效地钝化Pb2+空位,同时能够形成疏水保护层抑制水分侵蚀,β-C修饰的CsPbI2Br薄膜在滴水后仍可以保持黑色相。此外,β-C作为偶联剂,可以促进钙钛矿层和空穴传输层(Spiro-OMe TAD)之间载流子的提取和传输。结果表明,使用β-C处理后的CsPbI2Br器件由于表面缺陷降低、界面层之间的电荷传输更好,与基础的CsPbI2Br器件相比电流和电压都有明显的增加,最终器件的PCE从基础的8.58%提升至11.53%,在控制湿度的条件下储存超过180天仍保持初始效率的80%以上。由于长链大分子过量容易影响器件的导电性,因此采用小分子结构的噻吩-2-乙酸(2-TPAA)对CsPbI2Br钙钛矿薄膜进行后处理,提高全无机钙钛矿太阳能电池的器件性能和相稳定性。2-TPAA不仅可以诱导CsPbI2Br钙钛矿薄膜二次生长,还能实现有效的钝化,通过这种表面重构得到了致密平整的钙钛矿薄膜。在2-TPAA的作用下,CsPbI2Br薄膜中的组成元素,尤其是Br-会在薄膜表面富集。同时,2-TPAA通过噻吩基团和羧基双齿锚定Pb2+形成疏水层,从而抑制水分侵蚀,稳定CsPbI2Br钙钛矿的黑色相。除此之外,CsPbI2Br钙钛矿薄膜的表面形貌、热力学稳定性和载流子传输性能都得到了显著的改善。通过2-TPAA的双齿锚定和表面重构的协同作用,黑色相的CsPbI2Br薄膜可以在空气中稳定数天。最后,经2-TPAA处理的CsPbI2Br基PSCs取得了14.23%的效率,在手套箱中储存400天以上仍保持90%的初始效率。
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