基于界面钝化和A位调控的钙钛矿太阳能电池光伏性能及稳定性研究

来源 :江苏科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wanghai19881016
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有机-无机卤素铅钙钛矿材料的高吸光系数和简易的制备工艺使得其在太阳能电池领域备受关注。但是钙钛矿薄膜界表面的深能级缺陷和载流子的非辐射复合会严重损害钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。因此,研究和理解表面缺陷以及载流子的直接辐射复合对改善太阳能电池性能有着重要的指导意义。在本文中,我们讨论了界面钝化和A位元素掺杂对钙钛矿器件光电特性和稳定性的影响,分析了不同材料对钙钛矿层以及钙钛矿/电子传输层钝化钙钛矿表面缺陷和抑制载流子非辐射复合的机理,对比了不同钝化工艺对钙钛矿电池性能的影响。具体成果如下:(1)通过在甲基铵碘化铅MAPb I3薄膜表面引入三苯基氧膦TPPO钝化层进行配位作用而完成TPPO对MAPb I3的界面钝化。TPPO的引入实现了钙钛矿薄膜Pb2+空位与TPPO分子中P=O官能团的相互作用,这种配位效应可以减少MAPb I3薄膜的表面缺陷态密度,增加荧光强度和载流子寿命,抑制非辐射复合和迟滞效应。TPPO钝化的倒置MAPb I3器件的能量转换效率增加到14.9%。此外,TPPO分子的疏水特性保护钙钛矿免受空气中水分的影响。经TPPO钝化的未封装MAPb I3器件在相对湿度35%的空气环境中存储720 h后,仍可维持原始效率的83%。相比于纯MAPb I3器件,其环境稳定性得到显著提高。(2)采用一步反溶剂旋涂法制备了三元Cs FAMA钙钛矿活性层,通过椭偏和变温荧光PL光谱研究了Cs FAMA薄膜的基本光学常数,拟合得到的Cs FAMA薄膜的折射率、消光系数和激子结合能分别为2.4、1.18和42 me V,这表明Cs FAMA是一种优良的光吸收材料。在Cs FAMA/电子传输层ETL界面引入聚甲基丙烯酸甲酯PMMA钝化层,可以改善薄膜质量,减少电子-空穴直接辐射复合以及加快载流子提取。经PMMA修饰的Cs FAMA器件效率由原来的14.91%提升至16.9%。此外,PMMA的钝化作用使得未封装的PMMA-Cs FAMA器件在相对湿度40%,温度25℃的空气中存储720 h以及在相对湿度50%,100℃下加热6 h后仍分别可以维持原始效率的81%和91%。与Cs FAMA电池相比,钝化的器件表现出优良的长期稳定性和热稳定性。(3)采用一步旋涂法制备了Cs FAMA钙钛矿薄膜,比较了苯乙胺碘盐PEAI沉积在钙钛矿薄膜表面和将其添加到前驱体溶液的不同钝化手段对Cs FAMA器件光电特性和稳定性的影响。PEAI界面钝化和PEA+阳离子掺杂都提高了Cs FAMA器件的性能。然而,与PEA+阳离子的A位掺杂相比,PEAI界面钝化更能有效的减少Cs FAMA薄膜的表面缺陷态密度,抑制非辐射复合和减缓水氧对Cs FAMA器件的侵蚀。PEAI界面钝化的Cs FAMA器件效率达到了16.31%,明显高于PEA+掺杂的15.18%。同时,疏水的PEAI有机间隔层改善了Cs FAMA器件的稳定性。在相对湿度60%的室温环境下老化30天后,未封装的界面钝化器件维持了78%的原始效率,PEA+掺杂的器件维持了75%的原始效率,这些结果表明界面钝化比A位阳离子掺杂更有利于提高器件效率和稳定性。
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