多酸基纳米复合材料的制备及其在钙钛矿光伏器件中的应用研究

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为了减缓环境污染、能源枯竭等问题,寻找合适的能量转换装置、研究开发清洁低耗的光电探测器成为了目前研究的焦点。钙钛矿光伏器件由于其简单的制备工艺,低廉的成本和飞跃式提升的效率推进了具有革命意义的新光伏技术浪潮。然而目前钙钛矿太阳能电池的认证效率和理论上限效率仍存在较大的差异。除了钙钛矿材料层内部的复合和光损耗外,界面上存在的非辐射复合、能级不匹配也是限制钙钛矿基光伏器件效率的主要因素。因此调节载流子动力学以及创造钙钛矿匹配能级的界面工程成为解决界面损耗、抑制电子-空穴重组、提升钙钛矿基光伏器件性能的有效途径。多酸由于种类丰富能级可调,且可经历多电子的转移保持结构不变的特点引起人们的广泛关注。一方面具有良好电子传输能力的多酸可以作为电子传递的桥梁加快电子的传递、促进电子-空穴的分离,因此多酸在参与调节载流子动力学方面有极高的应用价值。另一方面多酸因带有大量负电荷的氧位点而形成的亲核表面可作为路易斯碱参与反应调节钙钛矿晶粒的生长,减少钙钛矿材料内部的重组现象。因此多酸基纳米复合材料在钙钛矿器件等光伏领域有着广泛应用前景。本论文的主要研究内容如下:(1)我们在室温下利用层接层自组装的方法合成了一种新颖的多功能{W72V30}-PEI纳米复合膜,利用复合膜替代传统的电子传输层并通过界面工程的方式来调节钙钛矿生长、提高界面间载流子提取效率。能级匹配的{W72V30}不仅可以调控钙钛矿晶体生长速率,也可以作为电子传递的桥梁促进光生电子传递,从而减少界面间电子重组。同时聚乙烯亚胺(PEI)裸露的大量氨基能够为钙钛矿晶粒生长提供湿润的基底,促进晶体的生长。具有{W72V30}-PEI复合膜的钙钛矿基光电探测器显示了更加优异的光电流,转换率(Sr)达到3.99×103,在标准太阳光(AM 1.5)照射下,光电探测器的光响应值为6.02 mAW-1,光电探测器获得的最佳光电流为9.1μA。该策略提供了一种利用高核多酸纳米复合材料设计新型电子传输层的方法。(2)我们用一种简易的方法合成了纳米复合材料C3N4@{PMo12},并首次将其加入到钙钛矿前驱体溶液中修饰钙钛矿,抑制钙钛矿活跃层内部的重组现象。复合材料中能级匹配的{PMo12}弥补了C3N4与钙钛矿能级不匹配的缺陷,钙钛矿产生光生电子可以跃迁至{PMo12}的LUMO能级上,从而减少了钙钛矿材料中激子的重组,也大幅度提升了光伏器件的导电能力。与此同时C3N4可以通过调整晶体的结晶速率使钙钛矿晶体具有更佳的晶体取向,因此C3N4可以通过钝化晶界减少电子重组中心从而降低钙钛矿薄膜的缺陷态密度。经过复合物C3N4@{PMo12}的双重调节,我们获得了具有高质量的、晶粒尺寸较大、表面形貌更好的钙钛矿薄膜。在标准太阳光照射下,所制备的具有最佳掺杂浓度的光电探测器的光电流为11.5μA,为空白对照组光电流的值的2.6倍。该策略提供了一种多酸纳米复合材料剪裁调控钙钛矿生长、设计高效钙钛矿光伏器件的新方法。
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