基于油胺界面钝化的钙钛矿太阳能电池的研究

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以有机-无机杂化钙钛矿材料为吸光层的钙钛矿太阳能电池(PSCs)已经发展了十余年,研究最广泛的MAPbI3钙钛矿类材料具有载流子扩散长度长,高吸收系数,低激子结合能,可低温溶液加工,直接带隙半导体等优点,具备良好的商业化发展潜力。但溶液法制备的钙钛矿薄膜为多晶结构,其晶界、表面缺陷以及光吸收层-传输层之间的界面缺陷制约着PSCs的性能和稳定性。因此,探讨缺陷产生内在的机理,研发有效的钝化缺陷的方法与技术非常重要。另外,PSCs作为一种薄膜太阳电池,存在反射损耗,光吸收层吸光能力不足以及光谱失配等缺点,这些问题的解决有望推动PSC光伏器件的进一步发展,突破其光电转换效率的理论极限值。本论文以氧化锡基,氧化钛基钙钛矿太阳能电池为研究对象,采用引入钝化层以及利用局域表面等离激元增强效应等手段,提高太阳能电池的效率和稳定性,综合提升电池性能,主要工作内容如下:(1)在氧化锡基平面n-i-p PSCs的吸光层和空穴传输层(HTL)界面处引入油胺钝化层,利用油胺所带氨基基团钝化钙钛矿表面配位不足的铅、碘离子以及HTL的界面。研究发现,所形成的油胺钝化层可以显著抑制非辐射复合并促进钙钛矿和HTL界面处的空穴提取。另一方面,在钙钛矿表面向外延伸的疏水长链烃可以有效防止水汽对PSCs的腐蚀。在使用最优油胺浓度下,所制备的PSCs器件的开路电压显著上升,平均光电转换效率(PCE)达到19.54%,比参照器件的平均PCE(15.78%)提升了近24%,开路电压从1.05 V提升到1.15 V,钝化器件最高PCE达到20.87%。未封装的电池在相对湿度50%的条件下放置6天仍能保持初始效率的80%以上。该研究表明引入油胺钝化层修饰钙钛矿及钙钛矿-HTL界面可以有效的提升PSCs器件的效率和稳定性。(2)在介孔氧化钛PSCs中,将金纳米棒(AuNRs)引入介孔氧化钛上,并在其上通过镁盐的热水解生长极薄的绝缘覆盖层。研究发现,由于金纳米棒的纵向表面等离激元共振(LPRs)特性,嵌入器件TiO2介孔层的AuNRs周围表现出显著增强的近场和散射场,增加入射光子在电池中的光程长度,提升了器件对太阳光的利用率。同时绝缘MgO覆盖层能减少太阳能电池中的载流子复合,隔绝AuNRs对钙钛矿的直接接触造成损害,有助于增强光伏性能。同未经修饰的参考PSCs器件相比,借助AuNRs和MgO的协同作用,PSCs器件的功率转换效率从14.7%提高到17.4%,显示出超过18.3%的增强,并且可以显著提升器件对长波长(>600 nm)光子的外部量子效率(EQE)。利用时域有限差分(FDTD)方法数值模拟了金纳米棒的纵向表面等离激元共振(LPRs)特性,研究了基于金纳米棒/氧化镁复合结构的钙钛矿太阳电池物理学特性,探讨了金纳米棒等离激元光伏增强机制。
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