高性能p-i-n钙钛矿太阳能电池的空穴传输层设计及优化

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钙钛矿材料由于其优异的光电性质常被用作太阳能电池的光活性层,目前最大的光电转化效率(PCE)已经达到25.2%,在未来能源领域中具有巨大的潜力。为了有效地提取或传输空穴并隔绝水氧侵蚀,选择合适的材料构筑空穴传输层(HTL)并对其界面修饰,是获取高效稳定钙钛矿太阳能电池(PSC)的重要途径。基于此,本论文从以下三个方面的开展了相应工作,最终制备出高效稳定的钙钛矿太阳能电池:(1)通过低温退火原位构建梯度能级结构的HTL,有效地促进激子分离并提高空穴提取效率,显著改善了器件开路电压(Voc)和PCE,相应的数值达到1.02 V和18.0%。另外,由于VOx与聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)相比,具有更高的疏水性和更低的酸性,因此基于梯度能级结构的器件展现出良好的稳定性,在N2中暴露750 h或在空气中暴露175 h后,仍分别维持在初始效率的80%和70%。(2)由于聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)属于疏水性较大的聚合物,在其顶部沉积的钙钛矿薄膜质量较差,导致器件性能偏低且重复性较差。采用有机钒盐制备的VOx对PTAA表面进行界面修饰构筑复合的HTL,有效改善了表面的润湿性及钙钛矿薄膜质量。优化后的器件Voc从1.09 V提升到1.12 V,PCE最高达到18.9%,并且显著改善了钙钛矿太阳能电池制备的重复性。(3)采用新型磷氧咔唑有机小分子材料作为空穴传输层并掺杂少量PTAA材料,系统地调控其能级结构及润湿性,有效提高了钙钛矿结晶质量,减小了阳极界面间激子传输的能量损失及激子非辐射复合,并且磷氧咔唑中的O原子和钙钛矿界面上的Pb原子形成了Pb-O化学作用键,优化后器件PCE高达21.7%,同时显著地提升了器件稳定性,在室温环境下(湿度为40%)750 h后,其器件效率依然可以保持初始性能的85%。
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