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碱金属氟化物对钙钛矿太阳能电池中缺陷钝化的研究

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碱金属氟化物对钙钛矿太阳能电池中缺陷钝化的研究

作者：徐鹏宇浙江理工大学

学位级别：硕士

钙钛矿材料由于自身的一系列独特优势,在光伏领域具有巨大的应用前景。目前,钙钛矿太阳能电池最高效率已经达到25.5%,几乎可以与晶体硅太阳电池相媲美。但是钙钛矿薄膜制备过程中,不可避免地会产生各种各样的缺陷,主要包括点缺陷、晶界... 详细信息

钙钛矿材料由于自身的一系列独特优势,在光伏领域具有巨大的应用前景。目前,钙钛矿太阳能电池最高效率已经达到25.5%,几乎可以与晶体硅太阳电池相媲美。但是钙钛矿薄膜制备过程中,不可避免地会产生各种各样的缺陷,主要包括点缺陷、晶界等。除了钙钛矿层外,在器件制备过程中,电子传输层/钙钛矿和空穴传输层/钙钛矿等异质结界面处也会存在多种缺陷。这些缺陷所导致的非辐射复合是制约钙钛矿太阳能电池性能进一步提升的主要因素。因此,本文分别在钙钛矿前驱体溶液、SnO/钙钛矿界面以及SnO前驱体引入碱金属氟化物添加剂或界面修饰剂,通过这三种方式钝化缺陷,并提高钙钛矿太阳能电池性能,论文的主要内容如下:(1)在MAPb I钙钛矿前驱体溶液中引入三种碱金属氟化物(Li F、Na F、KF),对钙钛矿薄膜的缺陷进行调控。通过系统对比,发现三种添加剂的引入均对钙钛矿薄膜质量以及器件性能产生积极的作用,其中KF具有最为显著的作用效果。通过调节KF的添加含量,制得的钙钛矿薄膜结晶性明显增强,形貌得到很好改善,晶界数目显著减少,同时有效抑制I空位缺陷的产生,载流子寿命也得到显著提高。最终,基于1.0%KF添加剂制备得到的电池器件获得了20.11%的光电转换效率以及几乎可以忽略的迟滞。(2)通过在SnO层上旋涂一层KF修饰层的方式,改善SnO/钙钛矿界面。我们的研究表明,KF修饰层中多数的F离子可以直接取代SnO的端羟基,降低SnO表面亲水性,使沉积于其上的钙钛矿拥有更好的形貌;部分F还能取代SnO表面桥联氧原子,形成n型掺杂,有效降低表面功函数,使得SnO和钙钛矿的能带更加匹配。此外,KF修饰层中的K能够在钙钛矿加热退火过程中有效扩散进入钙钛矿薄膜,实现对薄膜晶界的钝化和I空位的抑制。KF层的引入同时钝化SnO/MAPb I界面和钙钛矿薄膜的缺陷态,有效抑制了非辐射复合,显著增强载流子抽取效率。通过精细调控KF水溶液浓度,最终制得的钙钛矿太阳能电池开压高达1.14 V,效率达到了20.33%,且能在较高湿度环境下仍然保持长时间的稳定性。(3)采用SnO纳米凝胶水溶液作为前驱体,制备SnO薄膜。在SnO前驱体内直接引入KF粉末,制备SnO-KF复合电子传输层。通过对比,发现SnO-KF比SnO拥有更好的导电性,更能有效抽取载流子,促进光电流显著提升。最终,基于SnO-KF电子传输层的器件达到了19.73%的效率。

关键词：钙钛矿太阳能电池碱金属氟化物缺陷钝化光电转换效率

多尺寸纳米纤维用于钙钛矿太阳能电池钙钛矿层缺陷钝化的研究

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多尺寸纳米纤维用于钙钛矿太阳能电池钙钛矿层缺陷钝化的研究

作者：许志阳北京化工大学

学位级别：硕士

钙钛矿太阳能电池的效率取决于光激发电荷载流子的复合过程。当钙钛矿薄膜内部的缺陷形成深能级陷阱时,它们只会俘获电子或空穴,而这些电子或空穴不能通过由Shockley-Read-Hall理论描述的深能级陷阱的电子空位,通过深能级陷阱的电子-空... 详细信息

钙钛矿太阳能电池的效率取决于光激发电荷载流子的复合过程。当钙钛矿薄膜内部的缺陷形成深能级陷阱时,它们只会俘获电子或空穴,而这些电子或空穴不能通过由Shockley-Read-Hall理论描述的深能级陷阱的电子空位,通过深能级陷阱的电子-空穴重组被认为是造成损失的主要途径。本研究通过简单的静电纺丝技术,制备了多尺寸分布的纳米碳纤维,并负载了丰富的含氮元素的官能团。富含氮元素的碳纳米纤维为钙钛矿的结晶提供了很多的形核位点,并且碳纳米纤维上所包含的氮基官能团可以以路易斯碱的形式与未配位的铅离子或铅团簇配位,从而形成路易斯加合物。这种加合物的形成可以减少非辐射电荷复合,延长载流子寿命,从而提高钙钛矿器件的性能和稳定性。以下为本研究的主要内容:首先,通过对影响静电纺丝的参数进行了实验与探究,最终得到一系列具有梯度的尺寸的碳纳米纤维。随后,通过一系列测试表征可以观察到,纤维具有良好的形貌,纤维尺寸均匀;通过红外光谱测试以及EDX分析表明,碳纳米纤维具有较丰富的含氮元素的官能团,以及均匀的元素分布,通过拉曼共聚焦光谱分析碳纳米纤维的石墨化程度。然后,以两步法制备了掺入碳纳米纤维的钙钛矿薄膜,并制备成电池器件。通过XRD、XPS、FTIR等测试分析表明,掺杂的碳纳米纤维为钙钛矿的结晶提供了很多的形核位点,并与铅离子或铅团簇配位,从而形成路易斯加合物,并且促进了钙钛矿的结晶;光电转换效率测试表明,具有碳纳米纤维掺杂的钙钛矿太阳能电池的效率达到了 20.22%,而无碳纳米纤维掺杂的钙钛矿太阳能电池的效率仅有19.20%;耐久性与稳定性测试表明,具有碳纳米纤维掺杂的钙钛矿太阳能电池的能量转换效率衰减更小,抗水氧能力更强。总的来说,碳纳米纤维对钙钛矿薄膜缺陷的钝化不仅提高了其能量转换效率,还增强了其效率稳定性以及抗水氧能力。通过制备含有不同尺寸分布的静电纺丝碳纳米纤维的钙钛矿薄膜,通过测试表征,表明不同的尺寸分布的碳纳米纤维对钙钛矿薄膜的结晶均具有钝化作用,而且不同的碳纤维尺寸对钙钛矿薄膜的缺陷钝化作用是不一样的,由于其尺寸不同,同样质量下的碳纤维的数目是有很大的区别的,所以不同尺寸的碳纤维的最佳掺杂浓度是不一样的;缺陷状态密度测试分析表明,掺杂较细碳纳米纤维的电池器件的缺陷状态密度较低。本文将静电纺丝纳米纤维有效地应用于钙钛矿层缺陷钝化中,并取得了比标准器件更高的参数,这是一个新的技术应用,有效解决了钙钛矿太阳能电池的光敏层缺陷的弊端,稳定性差等问题。

关键词：钙钛矿太阳能电池结晶缺陷钝化碳纳米纤维稳定性

双重缺陷钝化策略构筑高性能平面钙钛矿太阳电池

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双重缺陷钝化策略构筑高性能平面钙钛矿太阳电池

稳定高效钙钛电池通过π-共轭路易斯基聚合物诱导缺陷钝化和载流子抽取

第七届新型太阳能电池材料科学与技术学术研讨会

作者：孙岩森迟少华孙晓煦王奉友杨景海杨丽丽功能材料物理与化学教育部重点实验室吉林师范大学

二氧化锡(SnO)因具有合适的禁带宽度、优异的电子迁移率以及可低温制备等优点成为n-i-p钙钛矿太阳电池中常用的电子传输层材料之一。然而,由于SnO纳米粒子在其胶体分散液中的团聚性质,低温制备的纳米晶往往结晶不充分,致使薄膜存在大量... 详细信息

二氧化锡(SnO)因具有合适的禁带宽度、优异的电子迁移率以及可低温制备等优点成为n-i-p钙钛矿太阳电池中常用的电子传输层材料之一。然而,由于SnO纳米粒子在其胶体分散液中的团聚性质,低温制备的纳米晶往往结晶不充分,致使薄膜存在大量缺陷,进一步限制了其光电性质的提升。对于传统的MAPbI3型钙钛矿吸收层来说,大量空位缺陷、反位缺陷以及未成键的卤素离子的存在会造成严重的离子迁移,这会导致钙钛矿光伏器件产生严重的滞后现象,从而影响器件稳定性的提升。为此,我们分别向SnO分散液中引入不同种类的螯合剂,即酒石酸、酒石酸钾和酒石酸钾钠。添加剂的螯合作用不仅能够改善SnO胶体分散液的团聚现象,提升SnO的成膜质量,还能降低SnO中氧空位诱导的非辐射复合中心的形成,进而改善其光电性质和界面处的电荷传输特性。添加剂中的碱金属离子则通过热扩散进入钙钛矿薄膜中,进一步钝化钙钛矿层中的缺陷,抑制离子迁移,改善器件的滞回。最终,当以酒石酸钾钠调制的SnO作为电子传输层时,实现了光电转化效率为21.12%,稳定性较高,滞后效应可忽略的高性能平面钙钛矿太阳电池。为推动高效平面钙钛矿太阳电池实际应用提供简便、新颖的技术方案。

关键词：电子传输层添加剂缺陷钝化稳定性

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稳定高效钙钛电池通过π-共轭路易斯基聚合物诱导缺陷钝化和载流...

基于吸收层缺陷调控制备碳电极钙钛矿太阳能电池

第五届新型太阳能电池学术研讨会

作者：秦平力杨光方国家李刚武汉工程大学理学院武汉大学物理学院香港理工大学电子与资信工程系

高质量无针孔的钙钛矿薄膜是最佳的结晶形貌,对取得高效率、稳定性好的钙钛矿太阳能电池是至关重要。我们制备结构为FTO/SnO/perovskite/spiro-OMeTAD/Au的钙钛矿电池。PBDB-T是当前非富勒烯有机聚合物太阳能电池中的一个明星分子。在... 详细信息

高质量无针孔的钙钛矿薄膜是最佳的结晶形貌,对取得高效率、稳定性好的钙钛矿太阳能电池是至关重要。我们制备结构为FTO/SnO/perovskite/spiro-OMeTAD/Au的钙钛矿电池。PBDB-T是当前非富勒烯有机聚合物太阳能电池中的一个明星分子。在钙钛矿薄膜制备过程中,将p型π-共轭的聚合物PBDB-T溶入氯苯中,利用反溶剂法引入很少量的有机聚合物高分子PBDB-T。在钙钛矿薄膜形成过程中,我们发现π-共轭的聚合物PBDB-T是一个简单而有效的模板剂。分子中的氧原子与钙钛矿中未配位的铅原子可形成路易斯复合物,在钙钛矿前辈薄膜中触发异相成核,并钝化混合钙钛矿的缺陷态。PBDB-T聚合物填充钙钛矿中的晶界,它的p型导电性能提高了载流子迁移,增加薄膜的导电性;它的强疏水性时阻止湿气浸入钙钛矿光敏层。结果,利用PBDB-T反溶剂法修饰的钙钛矿太阳能电池取得近20%电池效率,器件表现出优异的稳定性—在干燥空气中存放150天,电池效率依然保持原效率的90%。

关键词：缺陷钝化载流子抽取晶界疏水性钙钛矿太阳能电池

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陕西师范大学学报（自然科学版） 2023年第4期51卷 48-54页

作者：王楠楠高怡璇张心雨冯丽娜王一佳魏清渤延安大学化学与化工学院陕西省化学反应工程重点实验室陕西延安716000

缺陷调控是提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率和稳定性的有效策略之一。通过功能添加剂可有效地钝化钙钛矿层缺陷,从而提高钙钛矿太阳能电池的性能。系统研究了六甲基磷酰胺(HMPA)对钙钛矿层中缺陷的钝化,通过HMPA与钙钛矿薄膜表面和内... 详细信息

缺陷调控是提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率和稳定性的有效策略之一。通过功能添加剂可有效地钝化钙钛矿层缺陷,从而提高钙钛矿太阳能电池的性能。系统研究了六甲基磷酰胺(HMPA)对钙钛矿层中缺陷的钝化,通过HMPA与钙钛矿薄膜表面和内部未配位的Pb2+形成稳定络合物,从而控制钙钛矿晶粒的成核和生长速率,以促进高质量钙钛矿薄膜的形成。分析了HMPA添加量对钙钛矿薄膜和电池器件光电性能的影响,获得了光电转换效率为13.89%的器件,与未加入HMPA处理的器件相比较,器件的光电转换效率和稳定性都有所提高,该策略为制备高效稳定的碳基钙钛矿太阳能电池提供了参考。

关键词：钙钛矿太阳能电池缺陷钝化碳电极稳定性

可产业化的高效率钙钛矿太阳能电池及组件的缺陷钝化策略

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可产业化的高效率钙钛矿太阳能电池及组件的缺陷钝化策略

单分子液晶添加剂在甲脒铅碘钙钛矿太阳能电池中的应用

第七届新型太阳能电池材料科学与技术学术研讨会

作者：邵君郑策无锡极电光能科技有限公司

目前,钙钛矿太阳能电池的效率纪录已超过25%,显示了其有望颠覆太阳能产业的巨大潜力。普遍认为,钙钛矿薄膜及器件中的缺陷对最终器件性能有至关重要的影响,钝化成了提升器件性能的必要手段。利用在前驱体溶液中加入添加剂及在界面处添... 详细信息

目前,钙钛矿太阳能电池的效率纪录已超过25%,显示了其有望颠覆太阳能产业的巨大潜力。普遍认为,钙钛矿薄膜及器件中的缺陷对最终器件性能有至关重要的影响,钝化成了提升器件性能的必要手段。利用在前驱体溶液中加入添加剂及在界面处添加缓冲层来钝化晶界及界面缺陷的方法已有大量报道。原材料是影响钙钛矿薄膜缺陷态密度的另一重要因素。然而,利用对原材料的优化实现钙钛矿膜层与器件结构的系统性钝化策略的报道还比较少见。在我们的工作中,首先开发了针对钙钛矿太阳能电池器件的前驱体材料合成工艺。通过在材料合成过程中抑制杂质的引入,来有效降低钙钛矿薄膜中缺陷的产生。所制备器件的短路电流、开路电压及填充因子均有明显的提升(图1a)。与商购的钙钛矿前驱体材料相比,有效面积为1cm的钙钛矿太阳能电池的效率分别由13.64%和18.15%提高至19.61%。我们进一步对钙钛矿体系进行了调控,通过降低Br含量来降低钙钛矿带隙,拓宽吸光范围向长波长移动(图1b),从而提升了短路电流。然而,窄带隙钙钛矿的开压较低,为了降低界面开压损失,采用双界面钝化策略,同时钝化了钙钛矿与电子传输层及空穴传输层这两个界面上的碘空位缺陷,钝化后器件的外量子效率有显著提高(图1c)。综合使用上述优化策略,获得了同时具有高电流和高电压的电池,1cm的钙钛矿太阳能电池效率达到21.69%(图1d,e),10cm×10cm的钙钛矿组件效率达到18.71%(图1e,f),且具有良好的重现性。运用以上工艺技术的更大面积钙钛矿组件仍在试制当中,弯月面法涂布的大面积钙钛矿膜层厚度均匀无针孔,显示了该工艺具有良好的工艺放大前景。

关键词：钙钛矿太阳能电池前驱体材料缺陷钝化组件

来源： cnki会议评论

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无机材料学报 2023年第9期38卷 1097-1102页

作者：韩旭姚恒大吕梅陆红波朱俊合肥工业大学仪器科学与光电工程学院测量理论与精密仪器安徽省重点实验室合肥230009

溶液制备的钙钛矿薄膜通常含有大量晶界,会降低薄膜结晶质量,导致缺陷复合,不利于提升器件性能。因此,制备更高结晶质量的薄膜来进一步提升能量转化效率是钙钛矿太阳能电池面临的挑战。液晶分子具有强的自组装能力和形貌调节能力,本研... 详细信息

溶液制备的钙钛矿薄膜通常含有大量晶界,会降低薄膜结晶质量,导致缺陷复合,不利于提升器件性能。因此,制备更高结晶质量的薄膜来进一步提升能量转化效率是钙钛矿太阳能电池面临的挑战。液晶分子具有强的自组装能力和形貌调节能力,本研究引入一种向列型单分子液晶4-氰基-4′-戊基联苯(5CB)作为甲脒铅碘(CH(NH2)2PbI3,FAPbI3)钙钛矿前驱液的添加剂,可以增大钙钛矿晶粒尺寸,减少晶界。此外,5CB的氰基能钝化钙钛矿晶粒表面未配位的Pb^(2+),降低缺陷态密度,从而抑制非辐射复合。经过优化,添加0.2 mg/mL 5CB的钙钛矿太阳能电池的能量转化效率达到21.27%,开路电压为1.086 V,电流密度为24.17 mA/cm^(2),填充因子为80.96%。本研究证明使用单分子液晶作为添加剂是提升FAPbI3钙钛矿电池性能的有效策略。

关键词：钙钛矿太阳能电池甲脒铅碘液晶 4-氰基-4′-戊基联苯缺陷钝化

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L-精氨酸掺杂钙钛矿太阳电池性能研究

无机材料学报 2022年第6期37卷 669-675,I0001页

作者：焦博新刘兴翀全子威彭永姗周若男李海敏西南石油大学新能源与材料学院成都610500

钙钛矿太阳电池以其优异的性能和发展潜力而成为新能源领域研究热点,但仍然存在缺陷密度大、稳定性差等不足。本研究通过实验对比多种常见氨基酸的掺杂效果后,将小分子有机物L-精氨酸引入钙钛矿前驱体溶液,并通过二元两步法制备钙钛矿... 详细信息

钙钛矿太阳电池以其优异的性能和发展潜力而成为新能源领域研究热点,但仍然存在缺陷密度大、稳定性差等不足。本研究通过实验对比多种常见氨基酸的掺杂效果后,将小分子有机物L-精氨酸引入钙钛矿前驱体溶液,并通过二元两步法制备钙钛矿太阳电池。L-精氨酸掺杂提升了器件的光电性能,光电效率由18.81%提升到21.86%。L-精氨酸通过降低钙钛矿层缺陷密度(由4.83×10^(16) cm^(-3)降低到3.45×10^(16) cm^(-3)),减少了载流子非辐射复合,延长了载流子的平均寿命,且钙钛矿晶粒尺寸增大、晶界减少、薄膜吸光能力增强且稳定性提升,迟滞效应得到抑制。这是由于L-精氨酸的多种基团与钙钛矿材料作用钝化了缺陷造成的。本研究为钙钛矿太阳电池的性能优化提供了一种借鉴方法。

关键词：钙钛矿太阳电池缺陷钝化 L-精氨酸掺杂改性

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基于对氯苄胺的2D/3D钙钛矿太阳能电池

无机材料学报 2022年第1期37卷 72-78,I0003,I0004页

作者：杨新月董庆顺赵伟冬史彦涛大连理工大学化工学院化学系精细化工国家重点实验室大连116024

三维(3D)有机-无机金属卤化物钙钛矿薄膜的表面和晶界处存在大量缺陷,容易导致载流子的非辐射复合并加快3D钙钛矿分解,进而影响钙钛矿太阳能电池(PSCs)能量转换效率(PCE)及稳定性。本研究通过引入对氯苄胺阳离子,与3D钙钛矿薄膜及其表... 详细信息

三维(3D)有机-无机金属卤化物钙钛矿薄膜的表面和晶界处存在大量缺陷,容易导致载流子的非辐射复合并加快3D钙钛矿分解,进而影响钙钛矿太阳能电池(PSCs)能量转换效率(PCE)及稳定性。本研究通过引入对氯苄胺阳离子,与3D钙钛矿薄膜及其表面过剩的碘化铅反应后原位形成了二维(2D)钙钛矿,实现了对3D钙钛矿薄膜表面和晶界处的缺陷钝化并改善了表面疏水性。基于该策略,成功制备出具有更高PCE和更好稳定性的2D/3D-PSCs。本工作系统研究了钙钛矿薄膜的结构、形貌和器件的光电特性及稳定性。研究结果表明, 2D/3D-PSCs的PCE高达20.88%,高于3D-PSCs的18.70%。另外, 2D/3D-PSCs连续工作200 h后(1个太阳光, N2氛围), PCE保持初始值的82%,展现出优异的稳定性。

关键词：钙钛矿太阳能电池缺陷钝化 2D钙钛矿 3D钙钛矿稳定性