钙钛矿太阳电池中吸光层材料的成分调控

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钙钛矿太阳电池具有光伏性能优异和制备工艺简单的优点,自出现以来便以其巨大的潜力成为国内外科研人员的研究焦点。近年来,关于钙钛矿太阳电池的研究取得了重大突破,其光电转换效率突破了20%,已经与CIGS太阳电池和硅太阳电池十分接近。尽管钙钛矿太阳电池的器件结构与染料敏化太阳电池和聚合物太阳电池相同,其光伏性能却不可同日而语。出现该现象的主要原因在于这种太阳电池的吸光层材料是具有钙钛矿晶体结构的有机铅卤化物。因此,获得高质量的钙钛矿吸光层对于制备高效的钙钛矿太阳电池是不可或缺的。在本文中,通过对钙钛矿吸光层材料的成分进行调控,运用简单的一步法制备出高质量的钙钛矿吸光层,从而得到高效的钙钛矿太阳电池。1,我们以Pb(Ac)2为铅源,在不需要用到反溶剂的条件下,用比较简单的一步旋涂法制备出光滑致密的钙钛矿薄膜。同时,将Pb(SCN)2作为添加剂掺入到Pb(Ac)2的前驱溶液中来制备钙钛矿太阳电池的光吸收层。研究发现,作为添加剂的Pb(SCN)2可以增大钙钛矿晶粒尺寸,提高钙钛矿薄膜的结晶性。在加入的Pb(SCN)2浓度最适宜的条件下,器件的光电转换效率由14.0%提高至17.2%。进一步研究发现,Pb(SCN)2可以钝化晶粒界面处的缺陷,由此降低载流子复合的发生。同时也能促进电荷的提取过程。这种通过调整钙钛矿前驱溶液成分获得高质量钙钛矿薄膜的方法对于非卤素铅源在钙钛矿器件制造中的应用有一定的借鉴意义。2,相比有机无机杂化卤化物钙钛矿,纯无机卤化物钙钛矿可能获得更好的长期稳定性。其中带隙为1.73eV的CsPbI3比较适合作为太阳电池的吸光层,并且CsPb I3钙钛矿太阳电池的空气稳定性和热稳定性也十分优异。但是具有光电转换能力的α相CsPb I3在常温下是不稳定的,极易变成黄色的δ相CsPb I3。为了能够得到在室温下较稳定α-CsPb I3,必须减小其晶粒尺寸,因为小晶粒尺寸产生的表面应力有利于稳定α相CsPb I3。然而这会导致钙钛矿薄膜中存在过多的晶界和缺陷,对器件性能十分不利。我们向CsPb I3的钙钛矿前驱溶液中掺入少量的2D钙钛矿材料EDAPb I4,提高α相CsPb I3的稳定性,在155oC退火就能得到α-CsPbI3的钙钛矿薄膜。同时向前驱溶液中加入少量的PCBM,钝化钙钛矿薄膜中的颗粒边界和缺陷,提高器件内部电荷传输能力。用简单的一步法制备出高质量的CsPbI3钙钛矿薄膜,提高了CsPb I3钙钛矿太阳电池器件性能,器件最好效率由9.10%提高至11.3%。
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