【摘 要】
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钙钛矿太阳能电池(PSCs)身为高效、低廉的新型光伏电池器件的代表,近年来引起研究学者的广泛关注,经过数十年的发展,PSCs器件的光伏效率达到25.7%。其中基于Ni Ox空穴传输层(HTL)的反式p-i-n结构PSCs由于具有工艺简单、稳定性高及滞后效应低甚至负滞后效应等优点广受研究人员的青睐。在Ni Ox基反式p-i-n结构PSCs中存在三个主要功能层,即电子传输层(ETL)、钙钛矿活性层(P
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钙钛矿太阳能电池(PSCs)身为高效、低廉的新型光伏电池器件的代表,近年来引起研究学者的广泛关注,经过数十年的发展,PSCs器件的光伏效率达到25.7%。其中基于Ni Ox空穴传输层(HTL)的反式p-i-n结构PSCs由于具有工艺简单、稳定性高及滞后效应低甚至负滞后效应等优点广受研究人员的青睐。在Ni Ox基反式p-i-n结构PSCs中存在三个主要功能层,即电子传输层(ETL)、钙钛矿活性层(PVK)和空穴传输层。界面则存在于PSCs的各功能层间,在工作时,钙钛矿层产生的光生载流子亦是通过界面完成提取、输运及收集过程,所以界面的性质与PSCs的性能和稳定性息息相关。在PSCs中存在两个重要的界面,即HTL/PVK界面和PVK/ETL界面。界面处缺陷的存在会引起严重的非辐射复合,从而对PSCs器件内部载流子传输动力及器件性能带来消极影响。本文基于Ni Ox HTL的反式平板结构PSCs,针对Ni Ox/PVK界面及PVK/ETL界面分别采用掺杂及钝化策略探究界面缺陷钝化及载流子输运强化机制。论文的主要研究工作如下:(1)通过在Ni Ox HTL中掺杂Na2S,对Ni Ox层进行改性优化,构建具有Na2S掺杂的Ni Ox HTL(Na2S-Ni Ox),并利用该HTL制备反式p-i-n型PSCs。通过调整Na2S的掺杂浓度,探究其对Ni Ox HTL光电性能、Ni Ox与钙钛矿界面载流子输运特性及器件的光伏性能的影响。较未掺杂的PSCs器件,Na2S的Na+离子与S-离子可以协同作用提升Ni Ox层的导电性及钙钛矿薄膜结晶度,进而优化Ni Ox与PVK的界面接触并提升器件的光伏性能;此外,载流子动力学表明,Na2S的掺杂不仅可以减少HTL/PVK界面缺陷,而且可以提高Ni Ox/PVK界面的空穴提取率。这些因素促进了倒置平板PSCs的短路电流密度(Jsc)、填充因子(FF)和光电转换效率(PCE)的提高。最终,基于Na2S-Ni Ox HTL的倒置p-i-n结构PSCs器件获得了16.9%的PCE,相同实验条件下,基于Ni Ox HTL的器件PCE仅为14.01%。(2)提出了一种通过Fmoc-Ile-OH氨基酸分子钝化钙钛矿薄膜表面缺陷的改性方法,Fmoc-Ile-OH分子含有多种官能团,包括羧基、氨基和Fmoc保护基团。这种改性可以降低钙钛矿薄膜中Pb I2杂质含量并增大钙钛矿颗粒的粒径,此外还能够改善钙钛矿薄膜的光学性能和PVK/ETL界面载流子传输性能。结果表明,Fmoc-Ile-OH可以有效地钝化钙钛矿薄膜的表面及晶界缺陷,使得改性后的PSCs具有更好的二极管理想因子、更低的陷阱填充极限电压、更高的载流子复合电阻。最终,本实验基于Fmoc-Ile-OH钝化的PSCs器件光伏转换效率达到21.09%,相同实验条件下,未钝化的器件仅为18.00%。(3)分别将含有苯环、吡咯烷、吲哚三种不同官能团的Fmoc-Phe-OH、Fmoc-Pro-OH、Fmoc-Trp-OH氨基酸分子用于钙钛矿的表面钝化,研究不同官能团对PVK/HTL界面载流子输运的影响。结果表明,苯环、吡咯烷两环状官能团能够有效减少钙钛矿薄膜Pb I2缺陷,增大钙钛矿平均粒径;经Fmoc-Phe-OH、Fmoc-Pro-OH钝化的PSCs具有更大界面载流子复合电阻、更小界面接触电阻,从而促进PVK/ETL界面载流子的输运。最终,经过Fmoc-Phe-OH、Fmoc-Pro-OH的钝化,器件效率分别达到22.4%、21.8%,显著高于未钝化器件的18.6%。但经Fmoc-Trp-OH处理后,Fmoc-Trp-OH会在钙钛矿结晶过程中进入钙钛矿晶格内部,促使钙钛矿结晶出小粒径钙钛矿颗粒,从而增大钙钛矿薄膜的晶界密度,导致界面传输电阻、二极管理想因子以及陷阱填充极限电压增加,现象表明Fmoc-Trp-OH起到了负面钝化效果。最终基于Fmoc-Trp-OH钝化的器件获得18.2%的转换效率,低于相同条件下未钝化的器件效率。综合三种不同官能团的Fmoc氨基酸钝化效果,可以得出基于苯环的Fmoc-Phe-OH氨基酸钝化最佳。
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