钙钛矿纳米晶的表面钝化及其在太阳能电池中的应用

作     者：伏杰 

作者单位：苏州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张桥

授予年度：2023年

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

主      题：钙钛矿纳米晶 复合物 表面修饰 稳定性 太阳能电池 

摘      要：钙钛矿纳米晶（perovskitenanocrystals,简称PNCs）具有带隙全光谱可调、长的载流子扩散长度、较大的光吸收系数和多激子效应等优点,在太阳能电池、液晶显示、激光器等领域中具有广阔的应用前景。然而,PNCs的合成主要基于油相热注入法。其不仅操作繁琐、价格昂贵,而且PNCs的稳定性也较差。因此开发成本低廉、工艺简便的策略,合成具有高稳定性的PNCs是一个研究热点。另外,高稳定性的PNCs往往是以牺牲其光电性质为代价的,不利于其在光伏器件中的应用,所以如何平衡PNCs的稳定性和载流子输运是一个挑战。此外,在光伏器件中,常用CsPbI3纳米晶（nanocrystals,简称NCs）作为光吸收层,但是其本身的结构稳定性较差且光吸收范围有限,限制了其进一步的发展。本论文发展了一种微波辅助制备高稳定性的PNCs的方法;构筑3D/2D结构来平衡PNCs的稳定性和电荷输运并将其应用于太阳能电池;此外,通过A位阳离子合金化调控PNCs的光吸收范围,并引入拟卤化物阴离子来改善PNCs结构稳定性和表面化学环境。相关研究内容如下:（1）开发了一种微波辅助合成策略,用以快速高效地制得三聚氰酸（cyanuric acid,简称CYA）包覆的CsPbBr3NCs,该方法具有可宏量生产、步骤简单、成本低廉等优点。理论计算表明,CYA可以有效钝化CsPbBr3 NCs表面缺陷,提高PNCs表面的溴空位形成能。CsPbBr3@CYANCs在高温、极性溶剂和蓝光辐照等环境中均表现出优异的稳定性。此外,通过改变前驱体中CsX的比例,可获得带隙可调的 CsPbX3@CYANCs（X=Cl,Br,I）。（2）采用碘化胍（guanidiniumiodine,简称GAI）后处理策略,成功地在CsPbI3 NCs表面构筑了一层超薄的2D钙钛矿纳米壳层。小分子GA+的引入不仅可以降低PNCs表面缺陷态密度,还能有效减少PNCs表面的长链配体含量,增强邻近PNCs之间的电荷输运。基于3D/2D核壳结构PNCs的太阳能电池能量转换效率（power conversion efficiency,简称PCE）达到15.53%,且环境稳定性和运行稳定性均大幅提升。（3）通过油酸铯快速阳离子交换的方式,得到结构稳定和光吸收范围可调的Cs1-xFAxPbI3 NCs,并利用与碘离子半径相似的拟卤化物阴离子PF3-,填补Cs1-xFAxPbI3 NCs表面的碘空位缺陷和调控PNCs表面化学环境。这种拟卤化物阴离子改性方式可以有效提升Cs1-xFAxPbI3 NCs太阳能电池的PCE。进一步的分析表明合适的能级排列和改善的薄膜质量是提升器件PCE的关键。