添加剂对甲胺型二维DJ钙钛矿太阳能电池的性能影响

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在钙钛矿太阳能电池的研究中,影响钙钛矿太阳能电池的性能主要是薄膜形貌控制以及界面工程。回顾过去对钙钛矿太阳能电池的研究中,添加剂工程是对钙钛矿太阳能电池形貌处理最常用的手段,所以本实验的主要手段也是通过添加剂来调控薄膜形貌,得到晶粒大并且致密的钙钛矿薄膜。在选择器件结构时,大多数钙钛矿器件结构沿用了染料敏化钙钛矿太阳能电池采用正装结构,介孔Ti O2的缺点在于一般都需要在400℃以上的高温进行烧结,不利于大规模加工和柔性钙钛矿太阳能电池的发展,因此我们选择了倒装钙钛矿结构作为器件结构基础。在选择准二维钙钛矿类型的时候,通过对文献的研究,对于RP型二维钙钛矿的灵活性,我们期望通过刚性的二价有机胺间隔阳离子使得结构更加紧密,提升钙钛矿太阳能电池的性能。本文通过添加剂工程进行制备高质量薄膜,同时增强2D钙钛矿的稳定性,本文主要工作如下:(1)我们验证了氯化甲胺(MACl)和硫脲(TU)作为添加剂进行协同作用制备的高效稳定准二维钙钛矿。MACl中的Cl-能够钝化PEDOT:PSS/钙钛矿活性层界面处的电子陷阱,同时MACl能够有效的辅助晶体生长诱导晶体垂直取向[1],有效的提高填充因子(FF)和开路电压(VOC)。SEM中可以看出MACl能够通过延迟结晶使得钙钛矿薄膜表面变得紧致平滑[2]。TU中包含两个氨基和一个S给体,氨基可以在钙钛矿中与I原子形成氢键,同时S给体能够和Pb原子形成路易斯酸碱加合物,也能和钙钛矿晶体中的氨基形成氢键。部分研究已经验证了硫脲能够提高钙钛矿太阳能电池的性能,结果表明硫脲通过形成路易斯酸碱加合物延迟结晶过程[3]或者通过改善HTL和PVSK界面处的连接[4]。为此我们将两种添加剂协同作用在钙钛矿前驱体溶液中,通过延迟结晶使钙钛矿晶体尺寸扩大和结晶度增加,辅助钙钛矿晶体垂直生长促进电荷传输。通过各类表征证明经过TU+MACl双添加剂处理的钙钛矿薄膜器件各项性能参数都比TU/MACl单一添加剂处理的钙钛矿薄膜器件要更加优异。结果表明我们通过TU+MACl双添加剂协同的方法制备出了最优异的钙钛矿太阳能器件,效率达到12.16%。并在经过22天储存于70%湿度下仍保持80%的效率。(2)本章中运用氨基硫脲(TSC)作为路易斯基添加剂进行研究,并使用TU作为对比参照进行横向对比实验。TSC中具有的S给体与TU的S给体一样能够很好与Pb I2进行配位。我们验证了通过将TSC替代TU作为添加剂能够降低钙钛矿体系内部的非辐射复合和缺陷,同时增大钙钛矿的结晶度并提高了钙钛矿薄膜的抗潮湿稳定性。PL测试结果表明TSC较TU能够提高处于顶部的钙钛矿结晶度,并提高电荷在界面处的传输。从J-V曲线能够看出TSC能够有效的消除器件的迟滞效应,这得益于体系内部的缺陷减少,同时表现在FF显著的提升。XRD表明经过TSC处理的薄膜出现典型的钙钛矿相衍射峰,并且峰强远大于经过TU处理的钙钛矿薄膜,表明了经过TSC处理的钙钛矿薄膜结晶度更高择优取向更好,便于更好的进行电荷传输。经过在40%湿度的大气环境下储存16天,经过TSC处理的薄膜器件未发生明显的降解,而经过TU处理的薄膜器件发生了明显的相转变,由红棕色相变为黄色相,这表明TSC比TU能够增强器件的抗潮湿能力。同时通过接触角测试发现经过TSC处理的钙钛矿薄膜接触角较经过TU处理的钙钛矿薄膜的两倍,这也同样验证了TSC能够提高器件的抗潮湿稳定性。
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