论文部分内容阅读
钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells,PSCs）于2009年首次被成功制备,其光电转化效率（Power Conversion Efficiency,PCE）仅有3.8%。基于钙钛矿材料高的光吸收系数、长的载流子迁移率、直接且可调控的光学带隙等显著性能优势,所以PSCs一经发现就受到了全世界研究者们的广泛青睐并迅速发展。如今,其最新国际认证PCE已达到25.7%,显示出强大的商业化应用前景。目前,稳定性和PCE是其商业化应用面临的两大问题,而钙钛矿薄膜的质量又很大程度上决定着PSCs的PCE及稳定性。因此,本论文以提高PSCs的PCE和稳定性为研究目标,通过采用晶界钝化、双界面修饰、体相掺杂/表面修饰联合策略、后处理修饰等技术手段改善MAPbI3钙钛矿薄膜的质量,系统研究了不同修饰策略对钙钛矿薄膜的结晶生长、晶界和界面特性等的影响,并阐明了其调控机制,最终获得了低缺陷和优异界面特性的高质量钙钛矿薄膜,有效提升了PSCs整体的PCE和稳定性。具体研究内容如下:1.采用同时包含吡啶氮（C=N-C）、碳氧单键（C-O）和喹啉环的8-羟基喹啉铅（Pbq2）作为添加剂掺杂进入到MAPbI3钙钛矿薄膜,制备了Pbq2掺杂的PSCs。Pbq2通过相应官能团与钙钛矿晶体中的Pb2+、MA+、和I-同时发生化学作用,调控钙钛矿晶体的生长,并且鳌合在钙钛矿晶界处,钝化晶界处的离子缺陷,抑制了在晶界处的载流子非辐射复合和离子迁移,最终获得了致密大晶粒的高质量钙钛矿薄膜。与此同时,Pbq2的掺杂还可以提高界面的接触性能,拉近钙钛矿层与电子传输层（ETL）导带之间的能级势垒,增强载流子在此界面处的分离和传输。二者的协同作用致使PSCs的平均PCE从参考器件的17.17%提升至19.67%,且表现出更好的环境稳定性。2.采用同一种n型宽带隙半导体有机分子浴铜灵（BCP）对钙钛矿层的上（钙钛矿/Sipro-OMe TAD HTL）/下（Sn O2 ETL/钙钛矿）双界面同时进行修饰,制备了BCP修饰钙钛矿双界面层的PSCs。通过BCP分子中的吡啶氮与钙钛矿中的Pb2+发生配位作用调控钙钛矿的结晶生长过程,获得了高质量的钙钛矿薄膜。与此同时,在钙钛矿层的双界面上分别形成了一层薄的BCP修饰层,钝化了界面处的Pb2+缺陷且形成一个宽的能级势垒（CB:-3.5 eV–VB:-7.0 eV）,有效抑制了载流子在双界面处的非辐射复合,促进其分离和遂穿传输。双界面修饰后的PSCs最终展现出20.6%的最佳PCE。此外,由于BCP的良好疏水性有效减少了水汽和氧对钙钛矿膜层晶界和界面的侵蚀,因此,修饰后PSCs的稳定性明显提升,在20℃和RH 25%的空气中老化144小时后,PCE仍保持初始值的91.4%,远远优于参考器件的78.3%。3.提出了一种通过无机钙钛矿量子点（CsPbBr3 QDs）体内掺杂和苯乙胺碘盐（PEAI）表面修饰两步联合修饰钙钛矿层的策略:首先,将CsPbBr3 QDs以反溶液冲刷的方法掺杂引入至MAPbI3钙钛矿晶体内部,其作为凝结核促进了钙钛矿薄膜的晶粒生长,同时,量子点中Br-和Cs+进入MAPbI3钙钛矿晶格发生离子交换,钝化其晶体内部的缺陷,获得了低缺陷密度和大晶粒尺寸的CsxMA1-xPbI3-yBry钙钛矿薄膜;其次,使用PEAI进一步修饰掺杂的钙钛矿薄膜表面,在其上层形成PEAI薄阻挡层,阻隔HTL和ETL在间隙处的直接接触并且形成高的能级势垒,有效抑制了PSCs内部的漏电流,促进了电荷的单向传输。最终,CsPbBr3 QDs和PEAI联合钝化PSCs的PCE从参考电池的17.21%提升至21.04%,并且拥有1.15 V的开路电压和78.6%的填充因子,在空气中稳定性也明显地提升。4.采用低缺陷、高稳定性的锌掺杂CsPbBr3量子点（CsPbBr3:ZnQDs）对MAPbI3钙钛矿薄膜进行后处理修饰,得到了CsPbBr3:Zn量子点后处理的PSCs。只需一步后处理工艺即可起到同时修饰MAPbI3薄膜的体相和表面缺陷的双重效果,简化了钙钛矿薄膜的钝化工艺。CsPbBr3:ZnQDs可以同时发挥Zn2+和CsPbBr3 QDs对MAPbI3体系的双重调控作用,Zn2+、Cs+、Br-自上而下与底层MAPbI3钙钛矿发生晶体融合,在其上表面附近形成CsxMA1-xPbI3-yBry:Zn阻隔层,有效提升了底层钙钛矿薄膜的结晶性,降低了其晶体内部和表面的离子缺陷以及钙钛矿层与HTL价带之间的能级势垒差,促进了空穴在此界面处的分离和传输。最终,后处理PSCs的转化效率从参考器件的17.56%显著提升至21.07%。此外,由于量子点中具有强疏水性的油胺和油酸螯合在薄膜表面,大大提升了其疏水性（82.5°）,所以,在20℃、RH 25%的空气中老化50天后,目标PSCs的PCE仍保持为初始值的77.5%,远高于参考器件的51.3%。