CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池的缺陷钝化

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钙钛矿太阳能电池(PVSCs)因其光电转换效率高,制备成本低,制备工艺简单,而受到广泛关注。有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池实现了超过25%的光电转换效率,但其中的有机组分在长时间光照和高温条件下很容易降解,这会使钙钛矿层受到破坏,影响电池的稳定性。采用无机阳离子(Cs+)取代有机阳离子得到纯无机钙钛矿材料是解决上述问题的有效策略之一。其中纯无机钙钛矿材料CsPbI2Br因其合适的带隙、较高的光吸收系数、相对较低的相转变温度而被广泛用做纯无机钙钛矿太阳能电池的吸光层,但所制备的器件存在开路电压损失较大,界面载流子复合严重等问题。如何减少缺陷、调控界面从而制备高性能的钙钛矿太阳能电池是我们研究的重点。为此,本论文通过对纯无机钙钛矿电池界面的优化来提高钙钛矿太阳能电池的性能。论文的研究内容包括以下两个部分:(1)使用氟化钾(KF)掺杂制备高质量的电子传输层将其应用于CsPbI2Br基太阳能电池。我们通过在Sn O2前驱液中掺杂KF提高了电子传输层的电子迁移率,优化后的Sn O2-KF薄膜具有与钙钛矿层更加匹配的能级,而且薄膜中的F离子可在界面处起到钝化作用,从而获得具有更大晶粒尺寸的钙钛矿薄膜,同时通过降低钙钛矿薄膜的缺陷,减少了钙钛矿层的缺陷和电子-空穴复合。最终优化后的器件表现出更好的光伏性能,与Sn O2为电子传输层的器件相比,基于Sn O2-KF的器件其开路电压(VOC)和光电转换效率分别从1.18 V,13.40%提高到1.31 V,15.39%。此外,器件的储存稳定性也获得了提升。(2)利用表面修饰提高全无机钙钛矿太阳能电池的性能。用溶液法制备钙钛矿薄膜简单便捷,但所得到的薄膜往往含有很多缺陷,而这些缺陷不利于太阳能电池器件的效率和稳定性。我们使用四种钾盐对钙钛矿表面进行处理,发现KF处理后器件性能得到很大提升。结果表明KF大多沉积在晶界处,有效地减少了CsPbI2Br薄膜表面的缺陷态从而降低了载流子非辐射复合的发生,提高了电池器件的短路电流(JSC)及VOC。通过优化,基于CsPbI2Br制备的器件的VOC,JSC及PCE分别从1.18 V,15.11 m A/cm~2,14.14%提升到1.26 V,15.89 m A/cm~2,15.01%。同时,由于引入了氟离子使钙钛矿薄膜表面疏水性增强,大大增强了器件的储存稳定性。此外,器件的迟滞也得到了改善。
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