聚酰胺—胺修饰钙钛矿太阳能电池的制备与性能研究

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有机-无机杂化钙钛矿材料由于具有较长的载流子扩散长度、较高的光吸收系数、较低的载流子复合率、带隙可调节等优点而被广泛应用到太阳能电池领域,其能量转换效率(PCE)从2009年的3.8%增长到目前的25.2%。对于钙钛矿太阳能电池来说,钙钛矿薄膜的形貌质量及结晶性是影响能量转换效率的最主要因素,此外,钙钛矿在空气环境中极易发生降解,器件环境稳定性较差。因此,改善钙钛矿薄膜质量和提高环境稳定性是目前钙钛矿太阳能电池的研究重点。鉴于聚合物在提高钙钛矿薄膜质量和稳定性方面的积极作用,本文将合成聚酰胺-胺树枝状大分子(PAMAM),通过在钙钛矿前驱体中引入质子化的PAMAM实现对钙钛矿薄膜的结晶性和形貌质量的调节,进而得到环境稳定性良好的高效率钙钛矿太阳能电池。(1)通过Michael加成与酰胺化反应交替进行合成了1.0G、2.0G、3.0G及4.0G聚酰胺-胺树枝状大分子并将其端胺基质子化,采用1H NMR和FT-IR对聚合物的化学结构进行了表征。(2)将不同代数的质子化PAMAM以0%、0.5%、1%、2%、5%的比例溶解到钙钛矿前驱体溶液中,制备了结构为FTO/Ti O2/Perovskite/Cu SCN/Ag的钙钛矿太阳能电池。XRD、UV-Vis、PL结果表明掺入1%含量树枝状大分子的钙钛矿薄膜结晶性好、吸光度高、缺陷少。AFM结果显示未修饰薄膜的RMS为11.81nm,1%含量的4.0G大分子修饰薄膜的RMS为7.37 nm,表明质子化PAMAM的掺入能够得到平整致密、粗糙度小的钙钛矿薄膜。此外,非修饰型钙钛矿太阳能电池的PCE为7.21%,聚合物修饰型钙钛矿太阳能电池的光伏性能随着掺入含量的增加呈现出先增加后下降的趋势。1%含量的4.0G质子化PAMAM修饰时,太阳能电池的PCE达到最高值13.11%。(3)保持掺入含量为1%,通过制备结构为FTO/Ti O2/Perovskite/spiro-OMe TAD/Ag的太阳能电池,探究不同代数质子化PAMAM修饰对器件光伏性能及稳定性的影响。XRD、UV-Vis等结果表明高代数树枝状大分子修饰的钙钛矿薄膜具有较好的结晶性、较高的光吸收度。钙钛矿薄膜的AFM图显示:未修饰薄膜的RMS为9.90 nm,4.0G修饰后RMS降低到4.78 nm。表明高代数的质子化PAMAM修饰可以得到表面更加平整、粗糙度更小的钙钛矿薄膜。另外,器件电荷转移电阻由未修饰时的27.83 KΩ降低到4.0G修饰时的8.07 KΩ,载流子传输效率提高。不同代数树枝状大分子修饰的钙钛矿太阳能电池光伏性能结果显示:非修饰型钙钛矿太阳能电池的PCE为10.82%,聚合物修饰型钙钛矿太阳能电池的光伏性能随着掺入代数的增加而增加,4.0G质子化PAMAM掺入时电池的PCE达到16.03%,能量转换效率提高了48%。在环境条件下放置20天后,4.0G质子化PAMAM修饰的钙钛矿太阳能电池效率能够保持在原始效率的75%以上,而非修饰型钙钛矿太阳能电池效率衰减到原始效率的10%以下,表明质子化PAMAM修饰大幅度提高了钙钛矿太阳能电池器件的稳定性。
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