【摘 要】
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自2009年第一个钙钛矿太阳能电池(PSCs)问世至今,金属卤化物钙钛矿太阳能电池得到了迅速发展,其中有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的光电转换效率取得了跃升式提高,十年间从最初的3.8%飙升至25.5%。尽管有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的研究在光伏领域取得了令人振奋的成果,但是由钙钛矿组分中的甲胺和甲脒阳离子引起的热不稳定性已成为阻碍钙钛矿太阳能电池商业化和柔性应用的主要障碍。幸运的是,一种基于
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自2009年第一个钙钛矿太阳能电池(PSCs)问世至今,金属卤化物钙钛矿太阳能电池得到了迅速发展,其中有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的光电转换效率取得了跃升式提高,十年间从最初的3.8%飙升至25.5%。尽管有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的研究在光伏领域取得了令人振奋的成果,但是由钙钛矿组分中的甲胺和甲脒阳离子引起的热不稳定性已成为阻碍钙钛矿太阳能电池商业化和柔性应用的主要障碍。幸运的是,一种基于铯离子的全无机钙钛矿(Cs Pb X3,X=I或Br)太阳能电池由于一系列优异的特性而受到研究者们的高度重视,包括极高的热稳定性(>300°C)和高电子迁移率等。在全无机钙钛矿中,CsPbIBr2在带隙(2.08e V)和热稳定性(>460℃)两方面表现出良好的平衡性。迄今为止,CsPbIBr2钙钛矿太阳能电池的光电转换效率与其理论极限仍存在巨大差距,主要瓶颈来自于光管理和载流子动力学优化的不足,后者对器件的光伏性能产生严重损耗,特别是开路电压。因此,本文重点研究了CsPbIBr2钙钛矿太阳能电池中电子传输层/钙钛矿层之间的界面,提出和证明了一种有效的改性电子传输层和界面接触调控方法,从而改善钙钛矿吸光层质量和载流子动力学。最后,通过低温工艺制备了CsPbIBr2钙钛矿太阳能电池。本论文所开展的具体研究工作如下:(1)TiO2是最常见的钙钛矿太阳能电池的电子传输层,其烧结温度一般高于400°C,成本较高,限制了大规模应用。相比之下,ZnO电子传输层具有较高的电子迁移率和低温制备的特性,尽管有不够理想的开路电压,仍然是TiO2合适替代物。这项工作在溶胶-凝胶法制备的ZnO前驱体中加入微量NH4Cl,降低了电子传输层的功函数,改善了在其上沉积的CsPbIBr2钙钛矿薄膜的表面形貌,从而抑制了陷阱态密度。因此获得了由微米级的高结晶度晶粒组成的全覆盖CsPbIBr2钙钛矿吸光层。更重要的是,对于最佳浓度NH4Cl改性的器件(2 mg/m L),开路电压获得了从1.08 V到1.27 V的惊人提高,使光电转换效率达到了10.16%。此外,基于NH4Cl改性ZnO电子传输层的器件迟滞有效减缓、稳定性显著提高。(2)在平面正式结构的钙钛矿太阳能电池中,金属氧化物电子传输层/钙钛矿层之间不匹配的能带排列和界面复合是限制器件光电转换效率的主要因素。其中,不同金属氧化物电子传输层与钙钛矿层的界面接触对该类器件性能的影响尚不明确,没有相关文献报道给予系统的研究和比较。因此,这项工作在低温下制备了SnO2和ZnO电子传输层,系统地研究了电子传输层/钙钛矿层之间界面接触对界面电荷输运和钙钛矿生长的影响。结果表明,与基于ZnO的器件相比,基于SnO2的器件表现出更好的界面接触,具有较低的功函数和更匹配的能带结构,进一步加速了载流子的提取并抑制界面复合。最终基于SnO2的钙钛矿太阳能电池获得了10.81%的光电转换效率,而基于ZnO的器件为9.70%。同时,SnO2电子传输层使器件迟滞效应减弱,具有卓越的长期稳定性。该研究揭示了CsPbIBr2钙钛矿太阳能电池中界面接触调控的关键作用。综上所述,本论文围绕几种高效的金属氧化物电子传输层及其与钙钛矿层之间的界面接触展开研究,提供了一种电子传输层的改性方法,实现了与钙钛矿吸光层更匹配的能带排列。然后,本文研究了界面接触调控对钙钛矿太阳能电池的关键作用。最后,通过低温工艺制备完整器件并进一步研究了不同电子传输层对CsPbIBr2器件性能的影响。
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