【摘 要】
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有机-无机卤化物钙钛矿材料(ABX3)具有易于调控的组分、载流子迁移率高、光吸收系数大、制备方法简单、生产成本低等优势,已经在光伏应用方面取得了一系列突破性进展。自2009年铅卤化物钙钛矿材料首次应用于光伏领域以来,铅基钙钛矿太阳能电池(PSCs)的光电转换效率(PCE)已经从最初的3.8%迅速突破到25.7%。尽管如此,但传统PSCs器件还存在对太阳能光谱中的300-400nm紫外光利用率低和无
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有机-无机卤化物钙钛矿材料(ABX3)具有易于调控的组分、载流子迁移率高、光吸收系数大、制备方法简单、生产成本低等优势,已经在光伏应用方面取得了一系列突破性进展。自2009年铅卤化物钙钛矿材料首次应用于光伏领域以来,铅基钙钛矿太阳能电池(PSCs)的光电转换效率(PCE)已经从最初的3.8%迅速突破到25.7%。尽管如此,但传统PSCs器件还存在对太阳能光谱中的300-400nm紫外光利用率低和无法吸收800-2500nm范围内的红外光等问题,限制了PSCs器件PCE的进一步提升。本人在博士期间的研究主旨是拓宽PSCs在近红外区域的光谱响应范围和提升PSCs对太阳能光谱中的紫外光利用率。我们的研究结果表明,采取在器件中引入下转换荧光材料、近红外有机异质结和红外量子点等策略,可以获得宽光谱响应、高紫外光谱利用率和高效稳定的PSCs器件。具体如下:(1)将近红外铜铟镓硒量子点引入到PSCs的空穴传输层中,使PSCs的光谱响应范围拓宽至920nm,同时引入具有等离子体共振效应的金纳米棒,进一步提升铜铟镓硒量子点对太阳能光谱中近红外光的捕获能力。将具有能量下转换、光散射中心和界面改性能力的NaYF4:Ce,Tb@NaYF4引入到电子传输层和钙钛矿层之间,提升了PSCs在紫外光和可见光区域的光谱响应能力(300-650nm)。最终,器件获得了22.6%的PCE,而且器件的紫外稳定性和长时稳定性得到很大提升。(2)为了解决铜铟镓硒量子点吸收系数低和少量掺杂空穴传输层的问题,将有机聚合物给体PM6和非富勒烯受体Y18制备成有机异质结薄膜沉积在钙钛矿活性层的表面,构建了具有近红外吸收能力的集成钙钛矿太阳能电池器件。然后将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、金纳米棒和功能化单壁碳纳米管共混制备成缓冲层,引入到有机异质结层和Spiro-OMe TAD层之间,构建双空穴传输层结构,降低了器件开路电压和填充因子损耗。最终将PSCs的光谱响应范围拓宽至950nm,其中近红外部分IPCE响应值高达40%,器件最高效率达到22.82%。(3)为了进一步解决引入有机异质结带来的界面载流子复合和提取的问题,制备了PM6:BTP-4Cl-12有机异质结薄膜拓宽PSCs的近红外吸收,将具有双极性和高迁移率特性的黑磷量子点掺杂到钙钛矿和有机异质结薄膜,增强有机异质结和钙钛矿薄膜的载流子提取能力;将优异空穴迁移率和匹配电离势的P型氧化亚铜(CuOx)引入到器件作为缓冲层,减少了有机异质结层和空穴传输层界面之间的载流子复合,提高了器件的整体性能。PSCs的光谱响应范围拓宽至930nm,近红外区域最大响应值达51%,这项工作的最佳器件获得了23.52%的PCE。未封装的器件经3600小时老化,仍能保持85.2%的初始效率。(4)最后,为了获得具有紫外-可见-近红外宽光谱响应的PSCs,制备了PTB7-Th:IEICO-4Cl有机异质结薄膜,使PSCs的光谱响应范围进一步拓宽至1050nm,将表面端基经紫外等离子体处理的Nb2CTx量子点引入到有机异质结薄膜,促进了薄膜内部激子解离。在入光面引入下转换PLQY达170%的量子剪裁材料Cs Pb Cl3:Yb,Li量子点,增强了器件对紫外光的利用率。最终,获得了23.95%的PCE,是目前有机异质结集成钙钛矿电池的最高效率。PSCs器件紫外光照500小时后仍能保持91%的初始效率。
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