钙钛矿薄膜缺陷态的气相修饰研究

作     者：陈帅霖 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：李美成;崔书慧

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 08[工学] 070205[理学-凝聚态物理] 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）] 0702[理学-物理学] 

主      题：钙钛矿薄膜 缺陷态 气相辅助钝化 电场诱导 

摘      要：钙钛矿作为一种新型太阳电池材料,因其光电转换效率优异、光吸收系数高、制备成本低廉等优势引起了研究者们的广泛关注。钙钛矿薄膜表面缺陷态作为载流子俘获中心导致的非辐射复合是限制其效率和稳定性的关键因素之一,因此研究钙钛矿缺陷态性质,探索新型缺陷钝化方式对于提升钙钛矿太阳电池光电转换效率至关重要。本文基于自主搭建的原位表征系统,研究了不同气相小分子(CO、N2、CO2、H2)对钙钛矿薄膜表面缺陷态活性的影响及其作用规律,并提出了针对MAPbI3钙钛矿薄膜的气相辅助钝化策略,钝化薄膜中I-空位及未配位饱和的Pb2+,抑制载流子的非辐射复合,达到提升薄膜性能和钙钛矿太阳电池器件效率的目的。本文主要研究内容如下:(1)探究钙钛矿薄膜的气相反应活性,研究不同气相分子对钙钛矿薄膜的钝化作用。研究发现CO2、H2与钙钛矿薄膜表面作用较弱,吸附-解吸附现象明显,且处于这两种气体氛围下的薄膜PL强度降低、薄膜阻抗增加,说明CO2、H2对钙钛矿薄膜基本无钝化作用。而CO、N2与钙钛矿薄膜存在较强的相互作用,会与薄膜表面活性缺陷发生反应,使得薄膜PL峰值蓝移,薄膜阻抗减小。经密度泛函计算得出CO会与钙钛矿薄膜表面Pb2+发生电子转移,影响薄膜表面缺陷态活性,因此可以推断CO可以有效钝化钙钛矿薄膜表面缺陷态,使得薄膜性能提高。(2)提出了电场诱导CO气相钝化策略以制备高质量MAPbI3薄膜。经脉冲电压和CO气相分子协同处理后的钙钛矿薄膜PL强度提升,峰值蓝移,且薄膜晶粒变大,形貌得到了优化,这表明电场诱导CO气相分子钝化策略能够高效、可控地修饰钙钛矿薄膜,获得缺陷态密度低、载流子寿命长的MAPbI3薄膜。经该策略处理后的钙钛矿太阳电池的开路电压、短路电流、填充因子均有明显提升,实现了 17.50%光电转换效率。论文最后揭示了脉冲电压和CO气相分子协同调控薄膜表面形貌和钝化薄膜缺陷态的机理。脉冲电压的引入提升了钙钛矿薄膜表面的缺陷态活性,从而使CO气相分子更有效地钝化了薄膜表面I-空位缺陷和未配位饱和的Pb2+。该策略避免了传统钝化剂工程的杂质效应、溶剂效应等缺点,为未来利用气体钝化钙钛矿薄膜缺陷态提供了新的思路,对以后的相关方面研究工作提供借鉴。