MAPbI3太阳能电池的界面钝化和光电特性的研究

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sammerkong
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在本文中,为了钝化MAPbI3薄膜中的晶界(GBs)以及钙钛矿层与空穴传输层(HTL)界面缺陷态,减少载流子的非辐射复合,提高器件的光电性能,我们分别在钙钛矿层前驱液添加聚己内酯(PCL)和在Spiro-OMe TAD基HTL前驱液中添加无水乙腈(ACN)。通过扫描电子显微镜、X射线衍射仪和X射线光电子能谱仪分别对钙钛矿薄膜的微观形貌、晶体结构和元素结合能进行了表征。通过性能以及稳定性测试,再结合暗电流、光致发光和电化学阻抗测试,分析了添加剂对钙钛矿薄膜及界面中的陷阱态密度和载流子传输动力学过程的影响,对器件性能提升的内在机理进行了解释。主要工作如下:1.聚己内酯(PCL)添加剂对MAPbI3太阳能电池光电特性的影响研究通过在MAPbI3前驱液中引入不同浓度的PCL添加剂,研究PCL添加浓度对器件的光伏性能和稳定性能的影响。对比研究表明,当PCL的浓度为0.30 wt%时,器件的光电转换效率和稳定性达到最优,其最优光电转化效率(PCE)为19.79%,比未添加的对照组高出了26.6%,并且未封装的在空气环境中暴露21天后,保持了88%的原有效率,比对照组器件高出25.7%。研究表明,PCL这一新型极性聚合物添加剂的不同官能团在钙钛矿薄膜界面缺陷态钝化中可以起到双重作用:一方面,作为Lewis碱配体的羰基(C=O)链作为电子供体,可以钝化GBs处Pb2+等阳离子缺陷;另一方面,其空位的π-共轭键能促进电子受体即Lewis酸的形成,钝化由于I-离子在GBs上的迁移而产生的陷阱态,由此提高了器件的PCE和稳定性。2.乙腈添加剂的浓度对MAPbI3太阳能电池光电特性的影响研究通过在HTL前驱液中添加不同浓度的ACN这一良好有机溶剂,以此来探究其对器件性能的影响。结果表明,未添加的对照组的PCE为16.06%,迟滞指数为0.37。而当ACN在氯苯(CB)中的浓度为15%时,器件的最优达到最优,其迟滞指数仅为0.18,迟滞指数降低了51.4%;器件的最优PCE可达17.89%,相对于对照组提高了11.4%。研究表明,一方面,ACN能够溶解钙钛矿层表面的有机杂质;另一方面,低浓度的ACN能够使钙钛矿层和HTL之间形成互扩散结构,从而修饰并改善的钙钛矿与HTL的界面,钝化了界面间的载流子复合中心,提高了器件的复合电阻并可以显著提高器件的开路电压。但是,过高的ACN的添加浓度,其腐蚀作用会使得钙钛矿薄膜变薄并增加了HTL的厚度,甚至会直接破坏钙钛矿光功能层,对器件的性能产生负面影响。3.乙腈添加剂与钙钛矿层的反应时间对MAPbI3太阳能电池光电特性的影响研究在上一章的研究基础上,当选择ACN/CB的最优浓度为15%时,研究了ACN添加剂在旋涂前与钙钛矿薄膜表面的反应时间对器件光电性能的影响。通过研究发现,由于钙钛矿在ACN溶剂中溶解的饱和度有限,随着反应时间的增加,其溶解能力逐渐下降。当ACN添加剂的反应时间在0~15 s时,ACN对钙钛矿/HTL界面修饰与钝化效果会随着反应时间的增加而呈线性增长趋势;当反应时间在15 s后,钝化效果基本不变。在ACN的反应时间分别为0 s、5 s、15 s、30 s时,器件的最优PCE分别为16.35%、17.28%、17.84%、17.70%,其光电性能参数,如:开路电压(Voc)、填充因子(FF)也表现出和PCE同步的变化趋势。
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