钙钛矿薄膜的绿色溶剂制备及光电性能的研究

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有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells,PSCs)以其优异的光电性能引起了全世界的关注。然而,大多数报道的高效PSCs都是使用毒性高、挥发性强的有机溶剂制备的,这成为了阻碍PSCs大规模生产的一个主要障碍。因此,环保低毒溶剂的开发有利于推动PSCs领域的可持续发展。该研究聚焦于PSCs的绿色环保溶剂制备工艺,采用绿色反溶剂辅助结晶制备无针孔、大晶粒的甲胺铅碘(MAPb I3)钙钛矿薄膜;另外,提出了一种路易斯碱六甲基磷酰胺(Hexamethylphosphoramide,HMPA)溶剂界面处理策略,通过路易斯酸碱配位钝化传输层/钙钛矿层界面,抑制非辐射复合。通过对薄膜及相应器件性质进行表征,探究其对PSCs光电转换效率(Power Conversion Efficiency,PCE)的影响。(1)通过绿色反溶剂乙醚(Diethyl Ether,DE)和乙酸丙酯(Propyl Acetate,PA)混合制备钙钛矿薄膜。结果表明,混合反溶剂可以诱导晶粒生长,平均晶粒尺寸从119 nm增加到166 nm。同时,混合反溶剂的使用延长了载流子复合寿命,这表明非辐射复合受到了抑制。另外,经混合反溶剂处理的器件表现出更低的陷阱态密度和更快的电荷迁移率,这使得界面处的电荷积累减少,有利于促进载流子迁移。通过引入混合溶剂DE和PA,器件的PCE从18.28%提升到了20.61%,主要是源于填充因子(Fill Factor,FF)的提高(从79.13%到84.49%)。FF的提高主要归因于减少的理想因子和混合反溶剂改善的二极管结质量。(2)通过HMPA溶剂优化氧化镍(Ni Ox)/钙钛矿界面,降低钙钛矿薄膜的残余应力,促进Ni Ox/钙钛矿界面电荷提取和输运。路易斯(Lewis)碱HMPA的P=O键是极性的,O位点上的高电子密度会产生大的偶极矩和碱度,容易和铅离子(Pb2+)反应在界面处生成加合物,控制钙钛矿成核位点和结晶速率,界面处的残余碘化铅(Pb I2)起到钝化缺陷的作用。通过电导率、时间分辨光致发光等测试,证实HMPA溶剂界面处理有利于界面电荷提取。电容-电压测量、暗电流-电压曲线等进一步测试证明HMPA溶剂界面处理会降低陷阱态密度,有利于载流子传输。HMPA溶剂界面处理的器件获得了20.91%的PCE和1.09 V的开路电压。基于以上工作,通过环保低毒溶剂制备高质量钙钛矿薄膜,有效降低了器件的非辐射复合,提高载流子迁移率。相信本研究为新兴PSCs技术的可持续性发展提供了一条更加环保的道路。
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