氨基酸钝化的高效稳定有机-无机杂化钙钛矿太阳电池

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在过去的几年中,基于卤化铅钙钛矿的钙钛矿太阳能电池(PSC)的功率转换效率(PCE)已从最初的3.8%提升至如今的25.2%。作为第三代太阳能电池的理想材料,有机-无机杂化钙钛矿材料具有吸收系数大、激子结合能小、载流子扩散长度长等优点,其光明的发展前景使其在太阳能电池领域掀起了一阵研究热潮。尽管目前针对卤化铅钙钛矿太阳能电池器件的研究已经做了大量的工作,但目前此类钙钛矿太阳能电池器件中仍存在一些亟需我们研究并解决的问题。本论文针对几个常见的问题进行了分析研究,并提供了相应的解决方案:首先,我们针对基于空穴传输层聚(三芳胺)(PTAA)的倒置器件通常表现出较低填充因子(FF)的问题进行了分析并提出了相应的解决方法,利用2,3,5,6-四氟-7,7,8,8-四氰基喹二甲烷(F4-TCNQ)掺杂改性PTAA,从而成功提高了器件的FF;随后针对本课题组所采用的MA/FA体系中常见的几个问题(容易出现黄色杂相,膜层质量较差,器件不稳定)进行了进一步的研究,发现通过在MA/FA体系的钙钛矿材料中引入铯离子(Cs+)可以调整钙钛矿晶体的容忍因子,进而抑制MA/FA体系中黄相杂质,并以此提高膜层的结晶度,使膜层表面的针孔和碘化铅晶体明显减少。在此工作基础上,改善了膜层质量,使器件的效率和稳定性都得到很大的提高。其次,与传统空穴传输层相比,PTAA的应用提高了器件的开路电压(VOC),但极性钙钛矿前驱体溶液在疏水PTAA上的附着力较小,钙钛矿成膜较为困难,器件的重复性较低。为此,我们在预浸润溶液N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中掺杂适量的苯乙胺氢碘酸盐(PEAI),从而改善了钙钛矿的成膜性,在此基础上提高了器件的重复性和效率。最后,我们发现钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性与钙钛矿薄膜表面和晶界处的带电缺陷密切相关。事实证明,对钙钛矿材料进行有效的掺杂可以极大程度上钝化这些缺陷。在此,我们提出了具有三官能团的氨基酸(s)-(-)-4-氨基-2-羟基丁酸(AHBA)作为有效的多位点钝化剂和交联剂,将其应用于三阳离子有机-无机杂化钙钛矿材料中,提高了钙钛矿薄膜的光电性能和稳定性。AHBA中的氨基和羟基官能团可以锚定PbI64-八面体的碘化物阴离子,而羧基部分则可以与铅阳离子配位,所有这些都有助于形成高质量的钙钛矿薄膜,并降低陷阱态密度。此外,AHBA的添加还延缓了钙钛矿的结晶,并使前体溶液中的FA+和Pb2+含量大幅度提高,并以此形成了晶粒尺寸更大、覆盖性更好、缺陷密度更低和结晶度更高的钙钛矿薄膜。更重要的是,适度的AHBA掺杂可以通过阻止表面溴离子(Br-)的迁移损失来稳定钙钛矿晶体结构。通过此项掺杂工作,我们有效提高了平面异质结PSC的效率和稳定性。最佳器件效率达到20.31%,在储存60天后仍可保持94%的初始效率。
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