掺杂技术构筑高效稳定钙钛矿太阳电池的研究

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有机-无机金属卤化物钙钛矿太阳电池(PSCs)由于其高效率、制备工艺简单、成本低等优异的性能而被证明是一种很有应用前景的光伏技术。目前,尽管钙钛矿太阳电池的实验室认证效率已超过25%,但相较于其理论极限(S-Q极限),仍然有一定的差距,效率的损耗主要与PSCs中的缺陷有关,这些缺陷增加了非辐射复合的比例,而这些缺陷多集中在钙钛矿薄膜的晶界处和各个传输层之间的界面处。此外,PSCs的稳定性差,极大阻碍了其大面积商业化进程。为解决其效率较低、稳定性差等问题,本文通过NaCl掺杂、添加剂法和溶剂工程来提高PSCs的效率和稳定性。本文的主要研究内容如下:(1)通过低温化学水浴法将NaCl掺杂到致密的TiO2中作为电子传输层。结果表明,掺杂适当浓度的NaCl能有效钝化TiO2的体缺陷和表面缺陷,抑制氧空位诱导的非辐射复合中心,提高电子的提取和收集能力,显著提高TiO2的导电性,并进一步间接优化钙钛矿层的形貌。当NaCl掺入量为5.0 mol%时,PSCs具有最低的载流子复合率和最快的电荷传输速度,电池最高可获得19.84%的光电转换效率且迟滞效应最小。器件在相对湿度40%的空气中放置800 h后,仍能保持其初始效率的80%。(2)创新性地合成了一种含C-I基团的新型疏水性有机小分子N,1-二碘甲脒(DIFA)。通过将其添加到FA0.85MA0.15PbI3(FA=HC(NH2)2)钙钛矿前驱体溶液中,钙钛矿薄膜形貌得到明显改善且晶粒尺寸显著增大(最大接近3 μm),使得薄膜的晶界减少、缺陷态密度显著降低,从而降低了 PSCs的迟滞效应。结果表明,添加2%DIFA的优化器件性能最佳,与对照样相比,光电转换效率(PCE)从19.07%提高到21.22%,器件的光、热、环境稳定性都明显提高。(3)将挥发性固体有机分子羟基乙酸(HOCH2COOH,GA)和挥发性较小的分子巯基乙酸(HSCH2COOH,TGA)加入到FA0.85MA0.15PbI3钙钛矿前驱体溶液中,以研究其对钙钛矿薄膜结晶动力学的影响。研究表明,GA或TGA与Pb2+之间的强相互作用减缓了钙钛矿晶体的结晶过程,促进了大晶粒钙钛矿薄膜的形成。用不同于普通添加剂的挥发性分子GA改性的钙钛矿薄膜结晶性增强、缺陷态密度降低,而使用较低挥发性分子TGA时,钙钛矿薄膜表面出现针孔。这主要是由于GA在退火过程中会完全挥发掉,仅影响了薄膜的结晶过程,而退火后高沸点的TGA一直存在,其与Pb2+之间依然存在强的相互作用。因此,GA修饰的PSCs获得了最高21.32%的电池效率,比控制器件(PCE=18.85%)高出13%以上。而TGA的修饰使电池性能持续下降,最佳效率仅为17.79%。此外,由于改进了钙钛矿薄膜的形成过程,GA修饰的PSCs在光、热和湿度测试中表现出了最佳的稳定性。
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