基于NiO_x空穴传输层的反型钙钛矿电池的优化研究

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自2009年以来,钙钛矿材料因其优异的性质在钙钛矿太阳能电池(PSCs)领域中大放异彩,比如,合适的带隙、可见光范围高吸收系数、高载流子迁移率和载流子扩散长度、原材料廉价、成膜工艺简单、组分和性质的调控手段多样等。截止2019年,PSCs的最高认证效率为25.2%,已经接近硅基电池最高效率。但在其商业化发展道路上,仍有一些障碍,比如稳定性问题。在众多电池结构类型中,p-i-n反式结构以其迟滞效应小、可低温大面积制备等特点逐渐成为研究热点。不过实际的研究报道的反式结构钙钛矿器件的效率与传统n-i-p结构还有不小的差距。因此本论文从效率和稳定性角度分别作了如下研究:(1)稀土离子,因具有丰富的能级结构,被广泛应用于发光、显示、环境治理、光催化等领域。研究中使用简单的溶液法制备一系列稀土离子(Ce、Nd、Eu、Tb、Yb)掺杂NiOx空穴传输层(HTLs),对掺杂与未掺杂NiOx样品及器件的表征结果表明:稀土离子能有效地调控NiOx HTLs的致密度、电导率以及功函数,使器件效率有所提升。在所有研究的稀土离子掺杂种类中,基于3%Eu:NiOx具有最佳效率15.06%,与未掺杂相比(12.20%),提升了23.4%。同时掺杂器件在未封装,25-55%的相对湿度和25-35°C的温度范围条件下,10天后器件效率相比原始效率为97%;而NiOx器件则为87%。在这项工作表明,稀土离子掺杂能够成为有效的调控策略来获得高效稳定的反式钙钛矿器件。(2)离子液体是一类由有机阳离子基团和无机阴离子组成的化合物,因具有绿色环保、高离子电导率、高温湿度稳定性以及结构可设计等优点,被广泛用作锂电池、催化剂以及钙钛矿电池领域。研究中使用三种离子液体,分别是1-乙基-3-甲基氯化咪唑(EmlmCl)、1-乙基-3-甲基溴化咪唑(EmlmBr)、1-乙基-3-甲基碘化咪唑(EmlmI)作为钙钛矿层与[6,6]-苯基-C61-丁酸异甲酯(PCBM)电子传输层(ETL)界面之间的修饰层并研究其对钙钛矿器件效率和稳定性的影响。实验结果表明,三种离子液体对钙钛矿薄膜的修饰能稍稍提升器件效率,其中EmlmBr的提升效果最大,从未修饰的15.50%提升至17.02%。稳定性测试结果显示,EmlmBr修饰器件相较于未修饰器件表现出明显的稳定性提升。后续分析表明,离子液体能与PbI2形成低维结构,该结构的存在既降低了钙钛矿与PCBM界面的缺陷密度,同时又充当保护层,提高器件的稳定性。
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