APbI3型钙钛矿材料的组分优化与光伏性能研究

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有机无机杂化钙钛矿太阳能电池在近几年内发展迅速,光电转换效率已经突破23%,同时可溶液法制备使得操作简单、成本低廉,展现了十分巨大的应用潜力。化学式为CH3NH3PbI3(MAPbI3)的甲胺铅碘由于具有优异的光电性能,成为最常用的吸光材料。然而,使用一步溶液法制备时,MAPbI3薄膜质量难以控制,晶粒尺寸小,容易出现孔洞。此外,MAPbI3材料加热时易分解、空气中不稳定等问题不可忽视,因此提高钙钛矿薄膜质量和材料稳定性十分必要。钙钛矿材料中的离子组成直接影响光电性能与稳定性。因此,本文在传统材料MAPbI3的基础上,通过掺杂替换改变A位阳离子种类,研究其对钙钛矿的光电性能和稳定性的影响。本文在前驱体溶液中掺杂双官能团的4-氨基丁酸离子(GABA+),制备了阳离子混合型钙钛矿材料(GABA)xMA1-xPbI3。掺杂后薄膜致密无孔洞,结晶性度高,器件效率达到18.31%,比MAPbI3的效率(15.08%)提高了21.4%,且在空气中更稳定。为了拓宽吸光范围并提高材料的热稳定性,我们进一步掺杂带隙更小、热稳定性更好的甲脒离子(FA+),制备了三元阳离子混合型材料FAy(GABA0.1MA0.9)1-yPbI3。掺杂后的材料吸光范围红移,获得的器件效率达到20.03%,且热稳定性大大提高。由于FAPbI3材料虽具有优异的光电性能,但存在室温下空气中钙钛矿相(α相)不稳定的问题,我们首先在FAPbI3材料中掺杂GABA+,得到了薄膜质量更好的(GABA)xFA1-xPbI3。进一步掺杂半径小的Cs+制备了室温下稳定的Csy(GABAxFA1-x)1-yPbI3钙钛矿材料,光电效率能与FA0.2(GABA0.1MA0.9)0.8PbI3媲美,且热稳定性更好。该项研究对于进一步优化钙钛矿光电性能和提高稳定性提供了可靠的思路。
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