添加剂和界面工程提高准二维钙钛矿太阳能电池性能的研究

作     者：夏晨光 

作者单位：河南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张振龙

授予年度：2023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：钙钛矿太阳能电池 ACI相 添加剂工程 后处理 

摘      要：有机-无机杂化金属卤化物钙钛矿材料由于具有高的光吸收系数、长载流子扩散长度、直接可调的光学带隙以及优异的双极性传输等优点引起了研究者们的广泛关注。经过十余年的迅速发展,钙钛矿太阳能电池(PSCs)光电转换效率(PCE)已经由最初的3.8%提升到25.7%。但三维(3D)钙钛矿太阳能电池对水分、光和热固有的不稳定性阻碍了其商业化应用。相比之下,准二维(2D)钙钛矿太阳能电池由于无机层之间被大体积疏水阳离子隔开,因此具有较好的稳定性。然而大体积疏水阳离子是电绝缘的,影响了载流子的传输,降低了准2D钙钛矿太阳能电池的效率。另外,溶液法制备的准2D钙钛矿薄膜结晶性较差,晶界以及薄膜表面存在大量缺陷态,这也是影响准2D钙钛矿太阳能电池性能的重要因素。为了提高准2D钙钛矿太阳能电池的性能,人们采用了很多方法,如:热旋涂法、设计合适的间隔阳离子、添加剂工程和界面工程等。其中,添加剂工程和界面工程是两种被广泛使用的有效方法。添加剂工程是将添加剂分子直接引入到钙钛矿前驱体溶液中,成膜时可以调控钙钛矿的结晶过程,改善钙钛矿的结晶性,使晶粒尺寸变大,并且可以钝化晶界缺陷态,增强载流子的提取和传输效率,从而提高准2D钙钛矿太阳能电池的性能。后处理是界面工程的一种工艺,在钙钛矿成膜后,将含有界面修饰材料的溶液旋涂在钙钛矿薄膜上,再进行退火。后处理可以使钙钛矿二次结晶,晶粒相互连接融合,并且可以钝化钙钛矿的表面缺陷态,减少光生载流子的复合,从而改善准2D钙钛矿电池的性能。因此本论文制备了基于准二维ACI型钙钛矿GAMAPbI的太阳能电池,采用添加剂和后处理法,提高钙钛矿薄膜的结晶性和成膜质量,减少晶界和表面缺陷态,提高钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性。论文具体内容如下:(1)将有机导电分子2,7-双(二苯基氧膦基)-9,9′-螺二芴(SPPO13)加入到钙钛矿GAMAPbI前驱体溶液中,制备钙钛矿太阳能电池。实验表明,SPPO13分子通过P=O键对钙钛矿层中未配位的铅离子缺陷进行钝化,有效降低了晶界表面的缺陷态,改善了薄膜的结晶质量,减少光生载流子的复合,提高了钙钛矿薄膜的电导率。经过优化,引入添加剂SPPO13的钙钛矿太阳能电池转换效率达到了18.46%,相对于未添加SPPO13的电池效率(16.98%)有了明显的提高。另外,SPPO13提高了钙钛矿太阳能电池的稳定性,添加SPPO13的太阳能电池在空气中贮存30天后,转换效率仍保持为原始值的90%。本研究为利用有机导电分子材料改善准二维钙钛矿的电荷传输特性,提高准二维钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性提供了新途径。(2)采用对乙酰氨基苯酚(APAP)的异丙醇溶液对钙钛矿GAMAPbI薄膜表面进行后处理制备钙钛矿太阳能电池。研究表明,APAP后处理调控了钙钛矿薄膜二次结晶,使钙钛矿晶粒变大,薄膜变得更加致密平滑,钝化了钙钛矿薄膜的表面缺陷态,减少了载流子的复合,从而提升了钙钛矿太阳能电池的效率,改善了电池的滞回效应。经过优化,基于APAP后处理的钙钛矿太阳能电池转换效率从对照组电池的16.72%提高至18.01%。另外,APAP后处理增强了钙钛矿薄膜的抗水氧能力,提高了准2D钙钛矿太阳能电池的稳定性。本研究表明APAP后退火处理是一种有效钝化钙钛矿缺陷的策略,为实现高性能准2D钙钛矿太阳能电池提供了可行的方法。