太阳能电池中钙钛矿材料的表面修饰研究

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近年来,有机-无机杂化铅卤钙钛矿太阳能电池因其制备工艺简便、生产成本低廉、光电转换效率较高而受到广泛关注。目前,器件最高转换效率已达到24.2%,接近单晶硅电池的纪录。但钙钛矿材料对外界环境极为敏感,在水、热作用下易分解,因而电池稳定性较低,效率衰减迅速,严重制约了其商业化应用。本论文从钙钛矿材料修饰入手,通过添加不同类型添加剂,改善了钙钛矿晶体与器件的光伏性能与稳定性。将非离子表面活性剂失水山梨糖醇脂肪酸酯Span 80溶解于反溶剂氯苯,并在一步法制备钙钛矿光敏层过程中调控薄膜生长。研究表明添加适量Span 80可相对提升钙钛矿晶粒尺寸,减少晶界数量,从而降低晶体缺陷,改善薄膜质量。Span 80作为表面活性剂,还可在一定程度上提高钙钛矿薄膜疏水能力,并增强其湿度稳定性。最终,以1 mg m L-1 Span 80氯苯溶液制备的钙钛矿电池光电转换效率可达15.72%。其在暗态室温环境(25℃,30±5%相对湿度)下老化30天后,仍可保持初始效率的90%以上,而对照组器件在相同条件下30天后效率已下降近30%。进一步将阳离子表面活性剂正辛基三甲基溴化铵(OTAB)应用于钙钛矿薄膜表面修饰。OTAB可通过库仑作用吸附于晶体表面,其对空位及反位缺陷的钝化作用较为明显。以0.5 mg m L-1 OTAB修饰后的薄膜缺陷态密度可降低超过70%,载流子寿命提高一倍以上。同时,由于OTAB可在钙钛矿晶体生长过程中调控晶核及晶岛表面能,使晶粒尺寸与薄膜致密程度增加。相较于未修饰器件15.80%的光电转换效率,以0.5 mg m L-1 OTAB修饰的钙钛矿电池效率提升至18.32%,并且器件水、热稳定性均得到明显改善。将修饰后的未封装电池置于70℃,40±5%相对湿度条件下老化60天后,仍可保持92%的初始效率。而在25℃,75±5%相对湿度条件下老化30天,转换效率依然在80%以上。
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