钙钛矿太阳能电池的原位再生以及其迟滞行为的动力学机制

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钙钛矿的太阳能电池(PSCs)因其低成本、高效率、制备工艺简单成为目前备受关注的光伏技术之一。采用有机-无机卤化铅的钙钛矿作为光吸收层的钙钛矿电池(PSC)的光电转换效率已提高到23.7%。目前文献报道的高效器件大部分为铅(Pb)基钙钛矿电池。由于重金属Pb对人体的危害,在钙钛矿电池的生命周期内,需要实现对铅(Pb)的循环利用。此外,钙钛矿薄膜存在对湿度,温度以及紫外光线十分敏感,容易发生由水、光、热引起的降解反应。这也要求研究者探索钙钛矿器件再生循环的途径。本文研究了退化分解后的钙钛矿薄膜原位再生工艺。通过这一技术实现了钙钛矿器件的循环使用,减少了重金属铅的流失。我们通过将反溶剂法制备钙钛矿/薄膜浸泡于去离子水中使钙钛矿晶体分解,进而获得完全降解的钙钛矿模型器件。XRD和SEM结果证实分解后器件中碘化铅晶体呈片状堆叠于二氧化钛介孔薄膜之上。采用DMF/DMSO/异丙醇混合前驱液对降解后的碘化铅薄膜进行旋涂预处理,其后将混卤溶液旋涂于预处理的碘化铅表面使钙钛矿晶体得到再生。可以证明这一方法能够将分解后的碘化铅完全恢复成钙钛矿晶体,得到表面表面相对平整、致密。XRD结果表明再生钙钛矿薄膜的晶体结构于原始器件一致。对再生电池的光伏响应测量表明混合前驱液对降解薄膜的预处理对提高再生电池的光电转换效率起到了关键作用。不仅如此,开路电压衰减实验显示混合前驱液的使用能够大幅度的提高了钙钛矿电池的电子寿命,降低界面电子复合,从而获得更高的开路电压。通过对比不同浓度前驱液对电池性能的影响,优化工艺条件,使再生钙钛矿电池的光电转换效率达到14.5%。在研究原位钙钛矿电池再生工艺的过程中,发现再生钙钛矿电池较原始电池表现出更强的光电迟滞行为,说明除钙钛矿层自身地光伏响应外,钙钛矿层与介孔二氧化钛层的接触性对电池的光伏响应影响同样重要。为此,本文将漂移-扩散方程与BulterVolmer(BV)模型相结合模拟了界面电荷转移受限条件下钙钛矿太阳能电池的电荷分离与输运动力学行为。模拟结果表明界面电荷转移能力地提高能够抑制迟滞效应的发生,而且钙钛矿层/电荷收集层(CSL)界面处的载流子和可移动离子的累积是导致迟滞发生的重要原因。本文的工作证实了除了离子运动的影响之外,j-V迟滞与钙钛矿层内的载流子的分离受限存在直接关系。此外,本文证明界面电荷转移受限不是引起开路电压损失的直接原因。开路电压的降低来源于钙钛矿与电荷收集层界面的复合反应,这也间接说明了抑制界面复合是提高钙钛矿光电压的关键途径。
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