氯化锶钝化氯甲胺调控生长的钙钛矿膜制备高效稳定有机无机杂化钙钛矿太阳能电池

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近年来,有机-无机杂化钙钛矿电池(Organic-Inorganic Perovskite Solar Cells,PSCs)因为具有良好的吸光性、高的载流子迁移率、长的扩散长度、灵活的带隙调节能力和出色的双极性传输性能,成为目前新一代太阳能电池研究热点。随着掺杂工程、溶剂工程和界面工程等一系列的研究应用,钙钛矿电池的光电转换效率(Power Conversion Efficiency,PCE)从2008年至今已超过25%,有望成为替代硅基太阳电池的最有力竞争对手,并且钙钛矿材料还能广泛应用于LED、晶体管和光电探测器等方面。但是钙钛矿材料很容易受到光照、水分、温度和内部离子迁移的影响,加速钙钛矿的分解从而降低器件性能,也限制了钙钛矿电池的商业化。现有的器件封装技术能够改善由水分和氧气带来的不利影响,但其他因素仍需解决完善。为了制备高效率和高稳定性的钙钛矿电池,本论文对氯化锶钝化氯甲胺调控生长的钙钛矿膜制备高效稳定有机无机杂化钙钛矿太阳能电池进行系统阐述。在氯甲胺(MACl)调控钙钛矿生长的晶粒大小的基础上,掺入氯化锶(Sr Cl2)对钙钛矿膜内部缺陷进行钝化,从而提高器件的效率和稳定性。我们利用Sr2+离子和Pb2+离子半径相似,能促进相转变、钝化晶体缺陷和环境友好等优点,在钙钛矿中掺杂一定比例的Sr Cl2,提高层间的电荷转移和传输,提高光电转换效率。此外,我们系统调控了转速以及钙钛矿组分,改善了在空气中制备电池的严苛要求,制备了高效率的钙钛矿电池。在掺杂MACl调控钙钛矿膜的基础上,利用界面工程在甲脒基底的钙钛矿薄膜上沉积Sr Cl2修饰层,在40~55%湿度下研究了不同浓度Sr Cl2溶液的表面钝化对钙钛矿薄膜的微观结构、载流子扩散长度和光电转换效率的影响。通过优化Sr Cl2浓度,有效阻止阳离子迁移,抑制非辐射复合。基于该方案下制备的钙钛矿电池效率从18.80%上升到21.11%,并且在1000 h干燥空气存储条件下仍能保持初始效率的90%,稳定性得到显著提高。本论文的工作利用无机小分子掺杂和表面钝化,显著提高了钙钛矿电池的光电转换效率和稳定性。这种方法避免了在手套箱系统的环境要求,更有利于促进钙钛矿的实用化和商业化,为钙钛矿电池的研究发展提供了新思路。
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