N,S-杂环有机小分子材料对钙钛矿太阳能电池性能的影响

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当今社会对能源需求与日俱增,传统的化石能源一方面面临着枯竭的危机,另一方面大量化石能源的使用必然会造成一定的环境污染,实现能源的高效利用与清洁化是人们对能源发展的基本要求。在众多新能源技术中,以太阳能电池为代表的光伏发电技术被认为是最有希望的代替化石能源的新能源技术之一。钙钛矿太阳能电池作为光伏发电技术的最新代表,与传统的硅基太阳能电池相比具有高效率、低成本的优势,并且在柔性可折叠、半透明器件领域具有广阔的应用前景。但是钙钛矿太阳电池面临着稳定性较差、钙钛矿薄膜制备难调控等问题。为了解决这些问题,本文使用含有N,S的杂环有机小分子材料作为掺杂剂,掺杂在钙钛矿活性层或电子传输层中,以提高钙钛矿活性层的结晶质量,钝化钙钛矿的晶界及界面缺陷,抑制电子传输层的聚集,改善其成膜性,提高载流子的传输和抽取,从而提高电池效率,同时改善电池的稳定性。本文围绕提高平面异质结钙钛矿太阳电池的效率及稳定性开展如下两方面的研究工作:(1)将含N元素的有机小分子哌嗪掺杂到PCBM中作为电子传输层引入钙钛矿太阳能电池中。结果表明哌嗪与PCBM之间的相互作用使PCBM薄膜表面粗糙度由2.09nm降至1.35nm,增加了在钙钛矿膜上的覆盖率,同时哌嗪的掺杂提高了电子传输层载流子迁移率和电荷的抽取能力,使电池的平均能量转化效率由14.10%提升至15.55%,同时其光稳定性也得到明显改善。(2)将含N、S杂原子的有机小分子吩噻嗪(PTZ)通过反溶剂清洗过程添加到钙钛矿薄膜中,使用SEM、XRD、紫外-可见吸收谱对钙钛矿薄膜表征说明吩噻嗪的掺入使钙钛矿薄膜的结晶性变好,同时使钙钛矿/PEDOT之间的空穴抽取和传输能进一步加强。通过对薄膜进行缺陷态分析,发现吩噻嗪掺杂后的薄膜有着更低的缺陷态密度,吩噻嗪的掺杂使电池平均能量转化效率由14.45%提高至15.50%,同时器件的环境稳定性也得到提升。
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