可印刷钙钛矿太阳能电池活性层中两性有机小分子添加剂的研究

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有机-无机杂化钙钛矿材料属于直接带隙半导体,具有高光吸收系数、较长载流子扩散长度和高载流子迁移率等优势,因此钙钛矿太阳能电池(PSCs)引起光伏领域研究者的广泛关注。其中通过丝网印刷技术所制备的可印刷碳基无空穴传输层介观钙钛矿太阳能电池(p-MPSCs)更是具有制备工艺简单,成本低廉,利于大面积批量生产等无可比拟的优点。然而,由于p-MPSCs三层介孔膜的影响,钙钛矿前驱体溶液在微米级的介孔中填充不充分,易导致结晶过程受阻引起钙钛矿薄膜内的晶体缺陷产生,缺陷在载流子传输过程中会形成电荷复合中心,这将直接影响光生载流子的分离及提取效率,从而影响器件性能。此外,钙钛矿在水,热,紫外线和电场等外部条件作用下极易降解,导致器件性能发生不可逆的下降。针对上述问题,本文围绕钙钛矿薄膜优化及p-MPSCs的光伏性能与稳定性提升问题展开研究,通过引入添加剂钝化钙钛矿缺陷、提升载流子分离及传输效率,进一步提高钙钛矿的稳定性,并最终制备出高效稳定的p-MPSCs。本文包括如下两个工作内容:(1)将有机两性小分子盐酸磺胺米隆(MHCl)作为添加剂引入钙钛矿薄膜制备p-MPSCs,MHCl结构中含有的磺酰氨基及氨基能够钝化未配位的Pb2+和I-缺陷,且在器件退火过程中起到稳定钙钛矿前驱体溶液中的[Pb I6]4-骨架,在钙钛矿前驱体溶液的退火过程中起到促进钙钛矿薄膜内晶体生长的作用,抑制了载流子的非辐射复合。此外,添加剂MHCl增强了钙钛矿薄膜的电导率,更有利于电子-空穴对的分离及提取,提高了界面的电荷传输效率。因此,使用MHCl作为添加剂提升钙钛矿薄膜性能使得的p-MPSCs实现了高达15.67%的能量转换效率(PCE),相比标准器件13.75%的PCE提高了14.68%。此外,使用MHCl作为添加剂的未封装p-MPSCs在室温,相对湿度为50±5%的空气环境条件下进行老化测试,80天后其仍能保持初始性能的92%以上,具有优异的稳定性。(2)二维(2D)钙钛矿相相比于三维(3D)钙钛矿相有更优异的稳定性,但纯2D钙钛矿受其载流子传输问题的影响,所制备PSCs的PCE较低。将有机两性小分子四正丁基六氟磷酸铵(TP6)作为添加剂加入钙钛矿前驱体溶液中,通过TP6中的四正丁基铵阳离子(TBA+)在钙钛矿薄膜中引入了2D钙钛矿相在p-MPSCs中形成2D/3D钙钛矿混合相,有效的增强了钙钛矿薄膜疏水性和热稳定性,从而进一步增强了p-MPSCs的长期稳定性。此外,添加剂TP6的加入对3D钙钛矿结晶起到优化作用,使得钙钛矿薄膜的结晶更均匀致密,有利于载流子在介孔结构中高效的的分离和提取。因此,引入TP6的最优器件的PCE为15.58%,几乎无滞后现象,相比标准器件的13.80%提升了约12.90%。此外,在湿度50±5%室温条件下,空气环境中老化测试90天后,实验器件能保持初始效率的93%以上,表现出更为优异的长期稳定性。在p-MPSCs中通过添加剂引入2D钙钛矿相这一办法为制造高效稳定p-MPSCs提供了新的思路。
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