基于GA2MA4Pb5I16的高效准二维钙钛矿太阳能电池的制备

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三维(3D)钙钛矿太阳能电池在过去十几年的发展过程中,效率从3.8%上升到如今的25.7%,可见其巨大的发展前景。然而,稳定性一直阻碍着三维钙钛矿太阳能电池商业化的发展。准二维Ruddlesden–Popper(2D-RP)钙钛矿由于其优异的稳定性受到了科研人员的广泛关注。然而,2D-RP钙钛矿太阳能电池的效率同3D钙钛矿太阳能电池的效率相比仍相差较远,其中一个主要原因是制备高质量的2D-RP钙钛矿薄膜相对困难。本文主要从优化制备工艺和引入添加剂两方面来制备高质量的2D-RP钙钛矿薄膜,进而提升器件效率,论文研究内容如下:(1)优化制备工艺,系统地研究了不同反溶剂对GA2MA4Pb5I16薄膜及其器件性能的影响。首先,研究了甲苯(TL)、乙酸乙酯(EA)和氯苯(CB)三种反溶剂对基于GA2MA4Pb5I16的电池性能的影响。J-V测试结果表明,CB反溶剂制备出的器件效率最优,器件效率达到了13.33%,同时器件的滞回也得到了改善,滞回因子(HI)降低到了0.06,而经过TL和EA反溶剂处理后器件的HI分别为0.31和0.23。稳定性测试表明,CB处理后的器件表现出良好的稳定性,在相对湿度30%的空气中(25°C)放置30天后,仍保持着初始效率的85%。最后,研究了反溶剂对GA2MA4Pb5I16薄膜的影响。通过扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)以及X射线衍射(XRD)表征发现,与TL和EA反溶剂相比,CB反溶剂显著改善了薄膜的结晶性,降低了薄膜表面的粗糙度,这可归因于CB不易挥发,具有较高的沸点并且能与DMF/DMSO较好地混溶。稳态荧光(PL)和瞬态荧光(TRPL)测试表明,CB反溶剂制备出的薄膜具有更低的缺陷态密度和更长的载流子寿命(72.1 ns)。(2)采用添加剂策略,向钙钛矿前驱体溶液中引入甲氧基胺盐酸盐(Me O)来进一步提高GA2MA4Pb5I16薄膜的质量。Me O加强了加合物Pb I2-DMSO之间的作用,在退火时延缓了中间相向钙钛矿相转变的速率,进而有助于大尺寸钙钛矿晶粒的形成。首先,研究了Me O的浓度对器件性能的影响。J-V测试结果表明,Me O浓度为1mg/m L时,器件性能达到最优,器件效率为14.94%,相比于对照器件(13.39%)提升了11.6%,并且器件在300 s内的稳态输出效率为14.73%。稳定性测试表明,优化后的器件放置在相对湿度30%的空气中(25°C)720小时后,仍保持着初始效率的89%。其次,研究了不同浓度的Me O对钙钛矿薄膜形貌的影响。SEM和AFM表征说明,Me O浓度为1 mg/m L时,钙钛矿的晶粒尺寸明显增大,平均晶粒直径达到了252 nm,较纯钙钛矿的平均晶粒直径(162 nm)提升了55.55%,并且薄膜粗糙度也得到了改善,当Me O浓度上升到1.5 mg/m L时,薄膜质量下降。最后,在最优Me O浓度下对钙钛矿薄膜进行了深入表征。XRD和UV-vis说明,Me O改善了薄膜的结晶性,提高了薄膜的吸光能力,并且优化前后薄膜具有相似的XRD图谱,说明Me O并没有进入到钙钛矿内部,而是在退火阶段挥发了出去。PL、TRPL、理想因子和空间电荷限制电流(SCLC)等表征表明,Me O降低了薄膜表面的缺陷态密度,抑制了载流子的复合,优化后薄膜表面的缺陷态密度从2.92×1017 cm-3降低到了2.44×1017 cm-3。
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