2D-RP钙钛矿电池制备与稳定性研究

作     者：陈宝权 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：魏一

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：二维RP钙钛矿 面外优先生长 湿热稳定性 太阳能电池 

摘      要：有机-无机钙钛矿因具有较强的光吸收度、较长的载流子扩散距离和高缺陷容忍度等特点在光电器件中拥有潜在的应用前景。基于钙钛矿材料的太阳能电池在短短十年间效率从3.9%增加到了25.2%,因此备受关注。然而传统三维钙钛矿太阳电池在湿、热、持续光照条件下的稳定性较低,限制了钙钛矿太阳电池的商业化发展。近年来,二维Ruddlesden–Popper钙钛矿(2D-RPP)材料因其独特的结构性质而带来的高稳定性得到研究人员广泛青睐。这种材料由较大的有机间隔阳离子和较小的有机胺组成,呈多层量子阱结构分布,不同组分间相互作用会导致不同的表面形态、生长取向,从而直接影响器件的效率及稳定性。此外,其相分布对加工条件十分敏感。因此,如何有效选择空间阳离子进行物性调控,是实现2D-RP钙钛矿电池光电特性提升的重要途径。本文通过调整2D-RPP中有机成分来提高光电转换效率和环境稳定性。我们使用对氟苯乙胺(FPEA)和苯乙胺(PEA)作为空间阳离子,与常用的甲胺和甲脒进行匹配,制备了四组不同的钙钛矿薄膜(PEA)(MA)Pb I,(FPEA)(MA)Pb I,(PEA)(FA)PbI和(FPEA)(FA)PbI,以此研究对氟苯乙胺和甲脒是如何影响薄膜及器件性能。首先通过对不同n值钙钛矿薄膜性质的表征分析,我们发现(FPEA)(FA)PbI钙钛矿薄膜具有较强的面外优先生长方向、结晶度高、载流子迁移率大以及缺陷态密度低等优点。同时甲脒基团的存在使其吸收边延伸到红外区域,大大增加了光电流。随后,用SCAPS软件研究了薄膜参数和界面缺陷态与器件性能的关系,研究结果表明载流子迁移率以及缺陷态密度会严重影响器件的短路电流密度和开路电压。基于此项结果,我们使用实验中获得的不同n=9的薄膜数据,对四种钙钛矿薄膜制备的器件进行了仿真,仿真结果表明,具有低缺陷态密度和高载流子迁移率的(FPEA)(FA)PbI钙钛矿电池能够获得最高的转换效率。通过实验对四种钙钛矿器件光伏参数的测量结果同样表明(FPEA)(FA)PbI器件的优异性能。最后,通过一步旋涂法制备的正式结构的(FPEA)(FA)PbI钙钛矿太阳能电池获得了16.15%的转换效率,其开路电压达到1.07V,短路电流密度达到20.88 mA/cm,填充因子达到了72.29%。稳定性方面,(FPEA)(FA)PbI薄膜和器件均获得了较高的湿热稳定性。薄膜在50±10%RH条件下存放146天以及在80℃下加热120 h后均没有发生明显变化。其未封装器件在30-70%RH下存放2112 h后仍保持其初始效率的95%,优于已报道的具有环境稳定性的(FPEA)(MA)PbI和(PEA)(MA)PbI太阳能电池。