考高效稳定的二维和二维/三维钙钛矿太阳电池的添加剂工程和界面工程研究

来源 :华北电力大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:shy1201107
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具有超过25%的可比性能的有机-无机卤化铅钙钛矿可能是实现廉价光伏发电的潜在选择。然而,对铅的稳定性和毒性的挑战构成了实施这项创新技术的严重障碍。已经开发了许多技术来提高有机-无机卤化铅钙钛矿材料的稳定性。其中,降低(2D)和混合维度(2D3D)已被证明具有广阔的潜力。二维钙钛矿材料由于其突出的物理化学特性近来受到了极大的关注。由于其所含的大量烷基化合物的疏水性,其在环境中的稳定性显著增加。然而,由于其激子结合能高、光吸收系数差和层间电荷传输不足,2D钙钛矿的效率低于它们的3D对应物。目前,有两种增强2D钙钛矿效率的重要方法。第一种策略是增加无机层的数量,使二维钙钛矿的PCE接近三维钙钛矿,但以牺牲稳定性为代价。相比之下,第二种技术倾向于2D钙钛矿层进入衬底的特定垂直取向,实现平稳快速的电荷传输,这种方法需要使用几种能影响晶体生长的化学物质。在这方面,我们提出了一种基于BA2(FAMA)3Pb4I13的高性能2D钙钛矿太阳电池的策略,该策略采用共添加剂(NH4SCN和HCl)的协同影响,使钙钛矿薄膜能够通过衬底进行排列,最终增加了 2D钙钛矿的结晶度和电荷传输,并减少了缺陷态。这种共添加剂的方法成功地生成了具有一致晶体结构和更高薄膜质量的均匀2D钙钛矿薄膜。我们所获得的最佳2D钙钛矿器件表现出16.45%的光电转效率,且其电流密度有所改善。这些结果表明,通过共添加剂工程的协同作用能够获得稳定且高效的2D钙钛矿太阳电池器件。在空穴传输层(HTL)和活性层(钙钛矿层)之间的界面引入极薄的2D钙钛矿膜是提高有机-无机混合钙钛矿太阳电池器件性能的可行方法。该方法需要在先前产生的3D钙钛矿膜上旋涂隔离阳离子的IPA溶液,以产生薄的2D钙钛矿层。我们在这项工作中证明了放置在3D钙钛矿膜顶部的薄2D钙钛矿层对所得太阳电池的效率和稳定性具有积极的影响。两种有机化合物被用于这项工作,以发展二维/三维混合钙钛矿结构。首先,我们通过在3D双阳离子钙钛矿膜((FA0.6MA0.4)PbI3)上旋涂基于单铵阳离子的苯乙基溴化铵(PEABr)溶液构建了异质结构2D/3D。然后,将基于1,4-苯二胺二氢碘化物(PEDA)的IPA溶液旋涂在三维钙钛矿(Cs0.05(FA0.83MA0.17)0.95Pb(I0.83Br0.17)薄膜上,形成 2D/3D 钙钛矿混合结构。此外,基于优化的2D/3D异质结构的PSC器件显示出光伏效率的显著提高,这是由于3D钙钛矿表面上的阳离子和卤化物空位的钝化,以获得更好的能级排列、更长的载流子寿命和更少的缺陷,这有利于空穴转移和传输到空穴传输层并减少界面复合中心。我们在三维钙钛矿薄膜上实现了二维薄膜生长,这使我们能够在二维RP型的双阳离子钙钛矿器件上实现20.54%的有效效率,在二维DJ型三阳离子钙钛矿器件上实现21.42%的有效效率。由于其窄带隙和更宽的吸收,碘化甲亚胺铅(FAPbI3)为高性能钙钛矿太阳电池带来了显著的好处。然而,在周围环境中,FAPbI3可以瞬间从热力学不稳定的黑色光活性α相转变为热力学稳定的黄色光非活性δ相,这限制了光伏功能并阻碍了其实际应用的发展。在本论文工作中,基于氯化丙铵(PACl)和硫氰酸铵(NH4SCN)的优化浓度的共添加剂被添加到钙钛矿前驱体溶液中,以稳定FAPbI3的α相,控制钙钛矿膜的形成并钝化我们在钙钛矿材料中的缺陷。因此,钙钛矿薄膜表现出优异的结晶性能,具有均匀的α相、一致且致密的表面形貌、改善的光物理特性、低缺陷密度和长载流子寿命。此外,相应的器件具有21.01%的突出的光电转换效率,并且该器件在空气环境条件下储存一个月后保留了其初始效率的90%。鉴于目前的科学研究提供了一些非常有意义的提升钙钛矿太阳电池性能的策略,以钙钛矿材料为中心的光电器件将展现出更加广阔的应用前景。
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