CsPbIBr2无机钙钛矿电池制备及其光伏性能研究

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近年来,CsPbIBr2无机钙钛矿材料由于具有合适的带隙和优异的稳定性而引起光伏界的极大关注。然而,由于溴化物的溶解度有限以及高沸点极性溶剂二甲基亚砜(DMSO)难以挥发,使得所制的CsPbIBr2薄膜晶粒细小、孔洞和缺陷较多,而较差的薄膜质量会导致载流子扩散距离短,大幅降低器件的光伏性能,严重阻碍其进一步的发展。针对以上问题,本论文首先采用Cl-掺杂以增大钙钛矿晶粒尺寸,提高薄膜结晶性能,并通过简单的一步溶液法制备出高质量的CsPbIBr2薄膜。同时,采用醇类诱导的溶剂工程新方法,诱导其快速结晶,从而获得了无针孔、高度结晶的CsPbIBr2光吸收层薄膜。最后,鉴于正式钙钛矿器件存在迟滞现象以及使用Spiro-OMe TAD空穴传输材料(HTM)的高成本问题,制备了CsPbIBr2反式钙钛矿太阳能电池。论文的主要研究内容如下:第一,Cl-掺杂的CsPbIBr2无机钙钛矿薄膜及器件性能研究。根据前驱体溶液中Pb Cl2的含量来调控Cs Pb IBr2-xClx钙钛矿薄膜中Cl-掺杂量,采用溶液旋涂法制备得到Cs Pb IBr2-xClx薄膜。研究表明,Cl-的引入不会改变相结构,且随着Cl-含量的增加,光学带隙随之增大,光吸收强度也有所增加,结晶度提高,晶粒取向得到明显改善;同时晶粒尺寸增加,表面覆盖度提高,缺陷和晶界的数量明显减少。研究发现,掺入10%含量的Pb Cl2可使CsPbIBr2器件的效率从8.48%提升到9.38%。第二,溶剂工程法制备CsPbIBr2无机钙钛矿薄膜及器件性能研究。首先,添加一些低沸点醇,例如甲醇,乙醇等,以形成低沸点DMSO-醇共沸混合物,可以快速挥发并有效地加速CsPbIBr2薄膜的结晶过程。同时,采用Cs I添加剂来抑制固有的自掺杂,并钝化钙钛矿缺陷。此外,还研究了退火温度对薄膜质量和器件性能的影响。研究发现,当在280℃的最佳温度下进行退火时,通过Cs I/甲醇处理后可以成功地制备出大晶粒、无针孔、(100)晶向高度结晶的CsPbIBr2薄膜,由此成功制备出效率为11.49%的高效无机钙钛矿光伏器件。第三,基于BCP界面修饰的CsPbIBr2反式无机钙钛矿电池研究。通过在ETL与电极之间插入有机小分子浴铜灵(BCP),制备了FTO/Ni Ox/CsPbIBr2/PCBM/BCP/Ag结构的反式钙钛矿电池。经BCP界面修饰后的器件具有较低的陷阱态密度,器件的光伏性能也显著增强。通过BCP界面修饰,CsPbIBr2钙钛矿电池器件效率从1.69%大幅提升到7.18%,稳态输出效率为7%。此外,研究发现器件的HI仅为1.4%,几乎无迟滞现象。
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