氯化物前驱体及添加剂对卤化钙钛矿薄膜及太阳电池性能的影响研究

来源 :华北电力大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:hu8245
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卤化物钙钛矿(HPs)是下一代光伏(PV)技术的潜在半导体材料,因为它们具有出色的光子吸收和电荷传输特性,通过化学修饰可以很容易地进行调节,而且其薄膜制备方法经济实惠。由于这些特性,钙钛矿太阳电池(PSC)在功率转换效率(PCE)方面得到了快速发展,并且仍有实现更高效率的潜力。前驱体盐的合理选择和化学添加剂的使用是制造高效稳定的钙钛矿器件的两个重要方面。因此,在本论文中,研究了一系列含氯离子的前驱体或添加剂在制备钙钛矿薄膜和电池中的多重作用。论文第二章考察并比较了有机甲基氯化铵(MACl)和无机氯化镉(CdCl2)对醋酸铅(PbAc2)基MAPbI3薄膜和电池性能的影响。PbAc2作为Pb2+源具有巨大的潜力,可以在没有反溶剂的情况下制备均匀光滑的钙钛矿薄膜。但是基于PbAc2的钙钛矿的成核活化能较低,导致晶粒尺寸较小(~250 nm),晶界和缺陷较多。我们发现MACl和CdCl2有助于解决这些问题并大大提高了薄膜的质量。我们的实验结果及第一性原理计算分析表明,一些Cl残留在最终薄膜的晶界中,减小了晶界陷阱态。器件的J-V性能分析表明,较低的填充因子(FF)是PbAc2基钙钛矿电池的主要限制因素,并且该参数强烈依赖于钙钛矿薄膜中的电荷传输。利用MACl优化后,我们最好的钙钛矿电池显示出显著改善的填充因子并高达82%,并且添加剂的加入提升了钙钛矿的水分稳定性和器件的环境稳定性。论文第三章中,我们开发了一种前驱体溶液工程方法来制备宽带隙CsxMAl-xPb(I0.6Br0.4)3钙钛矿薄膜(Eg~1.8 eV),其具有较少晶界、结晶度被改善、缺陷密度较低,而这通常会影响其光伏特性。我们在MAPb(I0.6Br0.4)3溶液中加入氯化铯(CsCl)制备非化学计量的前驱体溶液,并与前人基于碘化铯(CsI)的传统方法进行了比较。与传统方法获得的薄膜相比,我们基于CsCl的方法使薄膜表现出更长的载流子寿命和更高的空穴迁移率。此外,CsCl还减缓了 CsxMA1-xPb(I0.6Br0.4)3钙钛矿薄膜在一定湿度和高温下的降解。因此,该器件的性能明显优于传统基于CsI前驱体的器件。论文第四章中,我们比较了三种氯化铵添加剂,即丁基氯化铵(BACl)、丙基氯化铵(PACl)和乙基氯化铵(EACl),并研究其对不含甲基铵(MA)的Cs0.1FA0.9PbI3钙钛矿薄膜和电池的影响。我们发现,上述添加剂使薄膜的晶体生长向大晶粒方向和沿(110)晶体方向定向生长。值得注意的是,长烷基链BACl和PACl在最终薄膜中残留了 BA和PA阳离子并发挥着晶体生长控制和缺陷钝化的双重作用。而EACl仅有助于改善结晶,并在140℃热退火10分钟期间蒸发。随后我们采用共添加BACl/EACl,显著改善了薄膜质量,并提出了晶体生长机制。与EACl相反,我们观察到EAPbCl3增加了 Cs0.iFA0.9Pb(I1-yBry)3的带隙,从而成为限制串联太阳电池混合卤化物宽带隙钙钛矿中Br含量的合适方法。优化后的Cs0.1FA0.9PbI3薄膜表现出更好的电子性能、更少的缺陷,从而提高了其器件性能。最值得注意的是,采用BACl/EACl共添加剂的钙钛矿器件实现了超过20%的光电转换效率,而未进行任何优化的Cs0.1FA0.9PbI3器件其最大光电转换效率低于18%。本论文第五章,采用BACl、BAI和BABr无机前驱体制备了高质量Ruddleson-Popper(RP)BA2FA2Pb3I8Cl2 薄膜,并与 BA2FA2Pb3I10 和 BA2FA2Pb3I8Br2薄膜进行了比较。我们发现采用BACl作为前驱体进行制备可获得具有较少缺陷的RP相且晶体垂直于基底。因此,与基于BAI的器件(7.68%)以及BABr器件(4.87%)相比,基于BACl的RP器件的光电转换效率达到了 13.31%。综上所述,本论文采用一系列含氯添加剂,改善了钙钛矿器件的性能,同时提高了器件的稳定性。
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