无机金属材料钝化钙钛矿电池的界面研究

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卤化物钙钛矿太阳能电池(PSCs)是一种绿色环保、高效先进的新型太阳能电池,目前其效率超过25.7%,具有巨大的开发潜力和应用前景。然而,钙钛矿材料具有不稳定性,很容易受到外界环境的水、氧、光等因素影响而发生降解。为了提高器件效率和稳定性,除了获得高质量的钙钛矿光敏层外,界面调控在电池器件制备与研究过程中至关重要。界面工程通常是通过界面层掺杂和修饰两种手段来实现的。本课题着重从这两个手段出发,调控钙钛矿光敏层晶界和相关界面,钝化缺陷,抑制载流子的界面复合,提高载流子的提取与迁移,具体研究内容如下:(1)二维硫化钼(Mo S2)纳米片钝化到钙钛矿与空穴传输层Spiro-OMe TAD间界面研究。利用球磨法,将商业化Mo S2球磨成比表面积变大和孔分布变窄的二维纳米片。通过加热退火使Mo S2纳米片表面或孔隙中所吸附的水解吸,诱导最外层处更多的Mo原子与氧结合,修复表面缺陷,获得更有序的Mo-S-Mo键,削弱Mo S2的催化活性,稳定钙钛矿/Spiro-OMe TAD的异质结界面。而且,Mo S2本身有助于光敏层的光吸收,并钝化缺陷,以改善载流子传输。特别是Mo2+-Mo4+离子对可以促进电子从Pb~0向I~0的转移,抑制了该界面靠近钙钛矿侧的深能级缺陷,并不消耗Mo2+和Mo4+离子。结果,1mg/ml的Mo S2修饰的电池器件的最高效率达到22.39%,并具有良好的稳定性。(2)金属材料钾盐柠檬酸钾(C6H5K3O7)钝化到钙钛矿与Sn O2量子点(QD)间界面研究。将买来的C6H5K3O7制备成溶液,利用旋涂法将其钝化到电子传输层和钙钛矿吸光层之间,通过对界面作用机理研究发现K+加入到钙钛矿电池的界面中,不仅能够钝化缺陷,增加载流子扩散浓度,有利于电子向电子传输层迁移,还可以减小回滞。因为K+在能量上倾向于间隙位,可以防止弗仑克尔缺陷的形成,而弗仑克尔缺陷的形成正是导致钙钛矿太阳能电池滞后现象的原因。最终,经3mg/ml的C6H5K3O7钝化的电池器件能够达到19.29%的转换效率,81.0%的填充因子,并表现出极小的回滞。(3)二乙基碘化铵(DAI)钝化钙钛矿光敏层界面研究。把二乙基碘化铵(DAI)加入到制备钙钛矿层的反溶剂氯苯(CB)中用作有效的模板剂钝化钙钛矿吸光层。极少量的DAI能够使钙钛矿的生长得到减缓,晶粒尺寸变得更大,而晶粒更致密,导致较小的晶界,从而使钙钛矿太阳能电池中的载流子传输得到改善。我们知道钙钛矿中多余的Pb I2会影响薄膜质量与电池稳定性,经DAI钝化后可以把多余的Pb I2消化形成DA2Pb I4。一部分DA2Pb I4可以形成(DA2Pb I4)0.2(Pb I2)0.8成分的亚晶粒来钝化晶界缺陷,另一部分可以覆盖表面以钝化大晶粒中的表面缺陷。最终,使用0.5mg/ml的DAI钝化后的电池器件,在抑制电流-电压滞后的情况下实现了20.31%的光电转换效率。
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