咪唑类离子液体对可印刷介观钙钛矿太阳能电池性能调控的研究

作     者：吴晨术 

作者单位：桂林电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张坚

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：可印刷介观钙钛矿太阳能电池 添加剂 能级优化 离子液体 缺陷钝化 

摘      要：自钙钛矿材料问世以来,由于其独特的优点,如光吸收系数高、激子结合能低、合成工艺简单、载流子迁移率高等,吸引了众多研究人员的目光。钙钛矿材料在百花齐放的太阳能电池领域中崭露头角开始于14年前,即2009年,其第一次创新性的在太阳能电池领域中被引入使用并取得了不错的能量转换效率（3.8%）。在此之后,历经仅仅十余年的不断努力与探索,钙钛矿太阳能电池（PSCs）的能量转换效率（PCE）持续不断地提高,截止到目前,最高PCE已经达到了令人印象深刻的25.8%。在各种类型的PSCs中,可印刷介观钙钛矿太阳能电池（p-MPSCs）受益于其在结构、成本、稳定性及大面积生产等方面表现出得天独厚的优势从而收获越来越多研究者的青睐。然而,由于p-MPSCs经典三层介孔膜的独特结构,微米级的介孔尺寸使得钙钛矿前驱体溶液难以得到充分的填充,而且这种新颖的器件结构取消了空穴传输层（HTL）,取而代之的是引入一层绝缘的介孔Zr O间隔层,这便对钙钛矿/碳电极界面处的载流子传输造成了一定的阻碍。此外,器件的各功能层的能级匹配问题也对PCE的提升造成了一定的困扰。氧气和水,光辐照,紫外线和电场等外部条件对钙钛矿太阳能电池的稳定性都有着十分显著的影响,进一步影响了p-MPSCs的光伏性能。因此,本文着眼于解决上述问题,针对钙钛矿薄膜进行优化及器件性能改善开展了相关研究,通过在钙钛矿前驱体溶液之中引入咪唑类离子液体作为添加剂的方式从而对钙钛矿的结晶行为进行调控以此提高钙钛矿薄膜的质量,提升p-MPSCs的PCE和稳定性。本文的研究内容包括如下两项:（1）采用离子液体1-苄基-3-甲基咪唑氯盐（BZMIMCl）作为活性层添加剂引入钙钛矿前驱体溶液之中,以制备p-MPSCs。BZMIMCl通过和Pb、Pb I等未配位的离子缺陷进行联结的方式,改善了钙钛矿的结晶质量,进一步提高其光吸收能力。除此之外,BZMIMCl的引入使得钙钛矿的带隙发生了变化,调节了钙钛矿的能带排列,改善了载流子的输运,进而提高了p-MPSCs的整体光伏参数和稳定性。因此,引入BZMIMCl作为添加剂钝化钙钛矿薄膜缺陷并最终使器件的PCE从14.15%提高到了16.06%。另一方面,经BZMIMCl优化后的p-MPSCs在未封装的前提下,室温放置于黑暗条件下的空气环境中（RH=50±5%）60天之后,依然能够维持其最高PCE的89.6%,展现了优秀的空气稳定性。（2）引入一种咪唑类离子液体1-丁基-2,3-二甲基咪唑三氟甲烷磺酸盐（BMMIm[OTF]）作为添加剂改善钙钛矿薄膜的结晶质量并进一步提升p-MPSCs的性能及稳定性。结果表明,BMMIm[OTF]改性后在离子液体和Pb之间形成新的Pb-N键,显著改善了钙钛矿薄膜的结晶质量。此外,BMMIm[OTF]的引入使得陷阱状态、结晶度以及内置电场也得到了提升。最终p-MPSCs的PCE提升至16.11%,相比于标准器件14.33%的PCE提升幅度达12%。不仅如此,经BMMIm[OTF]优化后的p-MPSCs在长期的空气稳定性方面也得到了很大程度的改善,具体表现为,未封装的p-MPSCs在黑暗条件下,室温的空气环境中（RH=50±5%）放置60天之后,依然能够维持初始PCE的91%。这项研究工作表明,咪唑离子液体作为添加剂引入是一种简便有效的提升钙钛矿薄膜结晶质量和提高p-MPSCs各项性能的方法。