【摘 要】
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钙钛矿因其优异的光电特性而被开发用于光吸收层制备太阳能电池。近十年来,钙钛矿太阳能电池(PSCs)认证效率发展迅猛,从3.8%发展到最近的25.7%。然而目前基于溶液法制备的PSCs内部存在不可避免的缺陷,主要存在于钙钛矿内部(晶界和表面)和各个功能层之间的界面处。这些浅能级和深能级缺陷会成为载流子的捕获和复合中心,影响载流子的传输机制和动力学。同时这些缺陷也会成为水分和氧气的侵蚀通道,加速钙钛矿
【基金项目】
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国家自然科学基金(62004058);
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钙钛矿因其优异的光电特性而被开发用于光吸收层制备太阳能电池。近十年来,钙钛矿太阳能电池(PSCs)认证效率发展迅猛,从3.8%发展到最近的25.7%。然而目前基于溶液法制备的PSCs内部存在不可避免的缺陷,主要存在于钙钛矿内部(晶界和表面)和各个功能层之间的界面处。这些浅能级和深能级缺陷会成为载流子的捕获和复合中心,影响载流子的传输机制和动力学。同时这些缺陷也会成为水分和氧气的侵蚀通道,加速钙钛矿光吸收层的分解,降低器件的长时稳定性。为了钝化钙钛矿缺陷同时提升器件的性能和稳定性,本文以正置结构的卤化铅PSCs为研究对象,通过晶界和界面修饰工程来实现高性能高稳定性PSCs的制备。主要开展了以下两个方面的工作:(1)钙钛矿薄膜表面和晶界处的缺陷作为载流子非辐射复合的中心,阻碍了PSCs性能和稳定性的进一步提高。我们实现了一种多功能晶界改性策略,在钙钛矿前驱体中引入甲胺硫酸盐(MS),通过MS和Pb I2之间的反应在晶界处原位形成宽带隙疏水性Pb SO4钝化层,改性层的形成实现了改善结晶、钝化缺陷和提高疏水性多种功能。最终,基于MS改性的器件实现了21.90%的效率,更为重要的是,未封装的器件在80±5%的相对湿度下放置250小时后,仍可维持初始效率的71%,且在室温和无光照条件下老化2000小时后效率仅仅降低了9%。(2)SnO2在退火成膜后表面大量的悬挂键和未配位的阳离子会影响与钙钛矿光吸收层的界面接触,降低载流子的提取和传输速率。我们在Sn O2电子传输层中引入两性离子液体咪唑四氟硼酸(IMBF4),通过XPS表征发现F可以与Sn成键,钝化Sn O2中的氧空位,而IM阳离子则可以在退火过程中逃逸到Sn O2表面,钝化钙钛矿底部的浅能级缺陷。此外,由于两性离子的特性,IM+和F-可以在界面处形成偶极子,增强载流子动力学。并且IMBF4的修饰导致了Sn O2的费米能级更趋于钙钛矿中的导带,促进了电子的提取。最终,基于低压辅助法制备的器件的开路电压从1.09 V提高至1.15 V,冠军器件实现了21.53%的效率,且具有优异的长时稳定性。
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