论文部分内容阅读
ABX3型三维（3D）有机-无机金属卤化物钙钛矿以其消光系数高、激子结合能低、载流子寿命长、缺陷耐受性高等优异的光电性质,在光电领域,尤其是太阳能电池领域受到广泛关注。目前,基于该类钙钛矿的光伏器件的光电转换效率（PCE）已超过25%。但是,3D钙钛矿固有的水、光、热和化学不稳定性阻碍了钙钛矿太阳能电池（PSCs）的进一步商业化应用。近年来,以大尺寸阳离子为间隔层的二维（2D）钙钛矿以其优异的稳定性而迅速成为研究热点。值得注意的是,在2D钙钛矿中,大尺寸阳离子增加了钙钛矿内部激子结合能,抑制了电荷的传输,从而降低了电池的PCE。本论文针对目前2D PSCs面临的高稳定性和高PCE难以兼顾的关键问题,开展了新型间隔阳离子的设计及其2D钙钛矿的光电特性研究,最终实现了高稳定性、高PCE的新型2D PSCs器件。具体研究内容如下:本论文提出了一种以新型不对称烷基双胺3-（二甲基胺基）-1-丙胺（DMAPA）作为间隔阳离子来制备Dion-Jacobson（D-J）型,结构式为（DMAPA）MAn-1PbnI3n+1（n为无机层的层数）的2D钙钛矿薄膜及其PSC器件的方法。首先,为了研究DMAPA基2D钙钛矿的晶体结构及其光电性质,制备了（DMAPA）PbI4（n=1）单晶并进行解析,结果表明,相邻无机层之间的层间距离明显变小,这将有利于减弱量子阱效应、降低激子结合能并促进电荷传输;基于该（DMAPA）PbI4（n=1）的D-J型纯2D PSCs的PCE达到3.85%,为目前D-J型纯2D PSCs的最高PCE。其次,对DMAPA基2D钙钛矿进行了结晶调控研究,揭示了前加热和后退火温度对结晶性的影响规律,并确定MACl和DMSO作为协同作用的添加剂。再次,本文对大n值（n=3,4,5）钙钛矿层的结晶动力学进行了系统研究,结果表明,中间相的形成和分解决定了钙钛矿层的结晶质量,其中,基于（DMAPA）MA3Pb4I13（n=4）的钙钛矿展现出了最优的结晶性及垂直基底生长取向,其分层相分布和低陷阱密度等特点使得PSC器件取得了15.16%的最高PCE。最后,器件稳定性研究结果证实了DMAPA基2D PSC优异的热、湿、光稳定性,未封装状态下,可耐受85℃,1000小时的高温测试（维持90%的效率）,以及连续300小时的持续标准光照测试（维持80%的效率）,这均明显优于传统3D钙钛矿器件。由此可知,D-J型DMAPA基2D钙钛矿使PSC同时获得了高光电转换效率及高稳定性,这将为未来PSC产业化应用提供有效参考。