钙钛矿薄膜调控构建高效稳定的NiOx基反式太阳能电池

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有机-无机杂化钙钛矿材料已被广泛应用于光电器件的制备,因其具有合适的带隙、吸收系数高、载流子输运性能优异、缺陷容忍度高等光电半导体特性,在光伏领域展现出了巨大的应用前景。短短十年间,正式结构(n-i-p)钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经从3.8%提高到25.8%(NREL认证效率为25.7%)。基于无机氧化镍(NiOx)的反式平面结构(p-i-n)钙钛矿太阳能电池具有稳定性较高、制备工艺简单、适于制备与产业化紧密结合得大面积光伏组件等优点,其中,NiOx具有良好的透明度和化学稳定性,显著的成本效益等特征,已被认为是最有前途的P型无机空穴传输材料,然而其光电转换效率仍然较低。造成较低效率的主要原因是多晶钙钛矿在NiOx表面生长容易形成多孔洞、不均一、晶粒任意生长的薄膜形貌,其薄膜的晶界和表界面存在严重缺陷,进一步形成电荷(空穴/电子)浓度不平衡,严重制约NiOx基钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性进一步提升。基于此,本论文将围绕优化钙钛矿多晶薄膜质量为目标,寻找有效添加剂,集中在NiOx基反式结构钙钛矿太阳能电池的制备及性能研究。主要的工作内容如下:1.OAm烷基胺链配体实现钙钛矿体相和界面缺陷钝化在三卤化物钙钛矿中引入添加剂OAmI,通过实验发现OAm烷基胺链配体有效促进三卤化物钙钛矿的晶体沿界面垂直生长并且产生了2D@3D钙钛矿体异质结。此外经PEA配体对2D@3D体异质结钙钛矿层后退火处理后,进一步形成了2D@3D/2D钙钛矿层。结果表明,OAm和PEA烷基胺链配体不仅辅助了钙钛矿结晶和诱导了晶体的垂直生长,与此同时也抑制了三元钙钛矿的体缺陷,上界面和埋底界面缺陷,减少了非辐射复合及缺陷态密度。因此,基于氧化镍的反式钙钛矿太阳能电池的光电转换效率较之未采用OAm烷基胺链配体的电池效率有了较大的提升,超过20%,其J-V曲线呈现无回滞现象。本项工作通过利用长链烷基胺配体作为理想的体相和界面钝化剂,为实现高性能NiOx基反式钙钛矿太阳能电池提供了新的思路。2.钙钛矿前驱体溶液中引入双添加剂(OAm烷基胺链配体和F4-TCNQ)在钙钛矿前驱体溶液引入添加剂OAmI的基础上,我们进一步引入了另一种添加剂F4-TCNQ。F4-TCNQ是一种P型有机半导体材料,可作空穴传输材料,能够有效增强载流子的提取与空穴传输能力。在双添加剂的作用下,钙钛矿体相和界面缺陷得到了有效的抑制,并且器件能带结构得到了有效的调控,使得钙钛矿薄膜层的载流子传输更加平衡。在钙钛矿层掺杂双添加剂后,制备了光电转换效率高达21.8%的NiOx基反式钙钛矿太阳能电池,且稳定性得到了一定的提升。
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