天然纤维对甲氨基钙钛矿光电性能和稳定性的影响机制研究

作     者：金博文 

作者单位：湖北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴聪聪

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 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：挥发性溶剂 钙钛矿墨水 天然纤维 机械性能 稳定性 

摘      要：钙钛矿太阳能电池(PSCs)已被证明是可再生能源领域最有前途的技术之一。但是由于有机无机杂化组合,钙钛矿结构配位中存在较弱的范德华力和充足的离子迁移空间等因素都会导致钙钛矿晶格的异常畸变甚至组分的变化,从而产生各种缺陷。这些缺陷被认为是引起非辐射结合的主要方面,从而限制了光电转换效率(PCE)和稳定性。迄今为止,各种添加剂工程被广泛应用于钙钛矿光伏中,这些添加剂的选择不仅要考虑它们在不同缺陷下的潜在钝化能力和钙钛矿晶格之间的配位关系,还要平衡光吸收范围、溶解度、熔点/沸点和残留物的副作用。此外,所获得的添加剂的成本和毒性也是需要考虑的因素。因此,无毒无害的绿色化合物似乎是添加剂的理想选择。关于钙钛矿的制备方面,我们选用了一种基于高饱和蒸气压乙腈(ACN)的新型钙钛矿墨水,我们围绕该种新型钙钛矿墨水做了以下三个工作:(1)将丝素蛋白(SF)引入钙钛矿光活性层,诱导生长高取向钙钛矿晶体薄膜。SF作为一种天然蛋白质,它由Gly-Ala-Gly-Ala-Gly-Ser(GAGAGS)氨基酸重复序列组成,并通过分子间氢键排列成高度有序的β片层结构。SF提供了丰富的功能基团,包括氨基(-NH)和羧基(-COOH),这使得它能够与钙钛矿晶体进行充分的化学作用,从而达到钝化缺陷的目的。此外,高度有序的β片层结构可以作为分子模板,诱导钙钛矿晶体的定向生长。经过引入SF,钙钛矿薄膜的电子迁移率提高了1000倍,进而使得PCE从18.04%提高到19.6%。并且未封装的电池器件显示出卓越的稳定性,在环境条件下(RH:30%)储存约1500 h后仍能维持80%以上的初始效率。(2)将乙基纤维素(EC)引入钙钛矿光活性层,有效抑制了钙钛矿薄膜中的缺陷并促进了载流子的传输。天然纤维的特殊结构与性能使其在不同领域内获得了十足的发展。在这项工作中,我们将乙基纤维素(EC)引入到钙钛矿光活性层中,发现EC中的官能团能够与钙钛矿晶体产生充分的化学作用,乙基醚基中的O原子中存在的孤对电子有望与未配位的Pb进行离子键合,而羟基(-OH)中的H原子可以与钙钛矿中的I形成偶极相互作用。结果表明EC的引入使得PSC的PCE从18.24%提高到了20.55%。此外,EC分子中的疏水基团可以与钙钛矿薄膜形成阻湿层以此来抑制水的侵蚀,并在各种恶劣环境下具有很好的稳定性。(3)将乙基纤维素(EC)引入钙钛矿光活性层,有效提高了钙钛矿薄膜的机械可靠性。EC是一种环保、可再生、高韧性的生物质材料,具有良好的机械性能和高稳定性。我们将EC与钙钛矿进行了复合,发现EC可以作为“纤维桥接成分,将相邻的钙钛矿卤化物八面体相互连接,有效提高了钙钛矿薄膜的杨氏模量和硬度,从而表现出较高的抗裂纹扩展性。此外,通过对电池器件进行抗冲击性能测试后发现经过50次钢球冲击(冲击速度:4 m/s),EC掺杂的电池器件可以维68%的性能,而原始的电池器件则发生了大幅度性能衰减,表现出59%的性能损失;同时,EC掺杂的电池器件在弯曲曲率半径为2 mm的范围内重复弯曲1000次后可以保持较高的性能输出。