【摘 要】
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近年来,有机-无机杂化铅基钙钛矿太阳电池(Lead-PSCs)迅速发展,但毒性与稳定性等问题很大程度上限制了该电池的进一步应用。由于A3Bi2I9(A=CH3NH3,Rb,Cs,NH4 X=Br,Cl)固有的稳定性和较低的毒性,这种三元卤化物也作为一种潜在的光吸收材料被深入研究。但A3Bi2I9钙钛矿的低维度和间接宽禁带隙(>2.2 eV)可能导致太阳电池光电转化效率(PCE)降低。因此科研人员开
【基金项目】
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国家自然科学基金(No.51772095); 河北省重点研发计划(No.20314305D); 中央高校基本科研业务费专项资金(No.2019JG003、No.2020JG004);
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近年来,有机-无机杂化铅基钙钛矿太阳电池(Lead-PSCs)迅速发展,但毒性与稳定性等问题很大程度上限制了该电池的进一步应用。由于A3Bi2I9(A=CH3NH3,Rb,Cs,NH4 X=Br,Cl)固有的稳定性和较低的毒性,这种三元卤化物也作为一种潜在的光吸收材料被深入研究。但A3Bi2I9钙钛矿的低维度和间接宽禁带隙(>2.2 eV)可能导致太阳电池光电转化效率(PCE)降低。因此科研人员开始致力于在A位使用Ag+形成三维(3D)共享八面体网络结构以达到增加材料结构维度和减小光学带隙的目的,他们通过对Ag-Bi-I体系太阳电池的研究发现吸光层薄膜中Ag2BiI5相易合成且较为稳定。考虑到成本和稳定性等问题,我们选择Ag2BiI5相作为主要研究对象,旨在提升Ag2BiI5太阳电池光电性能和稳定性。首先我们通过改变退火温度和退火方式对Ag2BiI5薄膜形貌进行了调控,发现薄膜的表面形貌对器件的光电性能产生了重大影响,制备过程中通过抽真空并进行两步退火可以制备表面具有一定孔洞结构的的薄膜,相应的器件展现了较好的光电性能。我们通过在X位引入Cl离子尝试改变晶体结构与尺寸以达到改善薄膜质量的目的,结果表明随着Cl离子的引入导致薄膜吸收边蓝移,带隙变宽,制备的电池光电转换效率却呈现明显的下降趋势。研究了4-叔丁基吡啶(tBP)对Ag2BiI5吸光层薄膜的腐蚀机理,研究结果表明tBP对Ag2BiI5吸光层具有严重的腐蚀作用,会导致吸光层化学分解,而这又将恶化其与空穴传输层(HTL)的界面接触,从而导致整个器件的性能大幅下降;另一方面由于tBP的挥发性较强导致器件稳定性也随之降低。本文通过使用2-戊基吡啶(2-py)代替tBP,克服了 tBP对Ag2BiI5薄膜严重的腐蚀作用,也改善了钙钛矿层薄膜的结晶、形貌和对可见光的吸收强度,2-py中的N原子与LiTFSI之间的强相互作用可以有效提高LiTFSI在2,2’,7,7’-四-(二甲氧基二苯胺)-螺芴(Spiro-OMeTAD)溶液中的溶解度,从而增强钙钛矿与HTL的界面接触,同时又解决了 tBP易挥发带来的器件不稳定等问题。制备的Ag2BiI5太阳电池效率从0.610%提升至1.271%,并且840天后电池效率仍能保持95%以上,稳定性提升了两倍之多。经过对2-py在空穴传输层中含量的调控,实现了 1.321%的电池效率。
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