印刷介观钙钛矿太阳能电池结晶过程调控与器件封装研究

来源 :桂林电子科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:pipiskin
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金属卤化物钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells,PSCs)代表着迄今为止最杰出的高效薄膜太阳能电池技术之一,具有可通过简便的溶液处理策略实现低成本光伏器件制备的巨大潜力。采用可扩展丝网印刷技术制备的印刷介观PSCs以其卓越的稳定性、显著的成本优势、易大面积制备等特性,被认为是当前最接近商业化应用的钙钛矿光伏技术之一,具有广阔的市场应用前景。印刷介观PSCs利用低成本、可扩展的印刷技术,同时省去昂贵的空穴传输材料以及贵金属电极材料,这给印刷介观PSCs带来显著成本优势的同时,也使此类PSCs相比传统结构的PSCs表现出相对较低的能量转换效率(Power conversion efficiency,PCE)。2018年,基于MAPb I3钙钛矿和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)/二甲基亚砜(DMSO)混合溶剂体系制备的印刷介观PSCs平均PCE仅在12%左右。钙钛矿薄膜的形貌结构在根本上着影响PSCs的性能,由于印刷介观PSCs独特的三层介孔厚膜结构的复杂性及其超过10?m的堆叠厚度,给钙钛矿前驱体溶液在其中的均匀填充与薄膜生长带来严峻挑战。钙钛矿前驱体溶液最为广泛使用的是基于DMF/DMSO的强极性混合溶剂体系,同时该溶剂体系具有较高的沸点,通常需≥100℃的退火温度。高温退火时溶剂的快速挥发极易导致钙钛矿在三层介孔厚膜结构中的结晶质量较差,制约了器件性能的提升。因此,提升印刷介观PSCs器件性能的关键科学与技术问题在于,如何通过有效的手段调控钙钛矿在三层介孔厚膜结构中的结晶过程,以获得高质量钙钛矿薄膜。本文主要通过添加剂工程调控钙钛矿的结晶过程以制备高质量钙钛矿薄膜,提升印刷介观PSCs的器件性能;进而探索可靠的器件封装技术以提升印刷介观PSCs的户外运行稳定性。主要研究内容分为以下四个部分:(1)将同时拥有羰基(C=O)和氨基(-NH2)双官能团的路易斯碱缩二脲作为添加剂引入到MAPb I3钙钛矿中,在三层介孔厚膜结构中通过一步滴涂法制备基于双功能缩二脲路易斯碱改性的印刷介观PSCs,成功将器件PCE由原始的10.66%提升至13.42%。研究表明,缩二脲与钙钛矿之间具有强配位作用,它的加入不仅可以调控MAPb I3钙钛矿在三层介孔厚膜结构中的结晶过程,还可以在退火后与相邻钙钛矿中未配位离子交联以钝化缺陷。这种协同作用促进了高质量MAPb I3钙钛矿薄膜在介孔结构中的生长,有效抑制了器件内部的载流子复合反应,最终提升了印刷介观PSCs的器件性能。(2)将绿色的甲基胺乙酸(MAAc)离子液体作为添加剂引入到MAPb I3钙钛矿中,通过一步滴涂法制备基于MAAc离子液体的印刷介观PSCs,成功将器件PCE由原始的10.90%提升至13.54%。研究表明,MAAc离子液体的MA+和Ac-协同作用对钙钛矿前驱体溶液的化学环境产生影响,Ac-在薄膜退火过程中优先与Pb I2结合形成MAPb I3-x(Ac)x类钙钛矿中间相,通过这种中间相有效调控了MAPb I3钙钛矿在三层介孔厚膜结构中的结晶过程,制备了结晶度高、缺陷密度低、介孔填充致密的钙钛矿薄膜,最终使印刷介观PSCs的PCE和稳定性均得到提升。(3)采用Cs0.1Rb0.05FA0.85Pb I3混合阳离子钙钛矿作为更高效的光活性层,同时引入乙酰胺作为添加剂,通过组分工程与添加剂改性的协同策略,成功将器件PCE由原始的14.66%提升至16.22%。研究表明,Cs0.1Rb0.05FA0.85Pb I3钙钛矿的宽光谱吸收能力以及Cs和Rb对FA基钙钛矿稳定性的提升作用使得基于Cs/Rb/FA钙钛矿的印刷介观PSCs具有更高的性能潜力。此外,乙酰胺中的酰胺基团对Cs0.1Rb0.05FA0.85Pb I3钙钛矿在三层介孔厚膜结构中的结晶过程具有有效的调控作用,同时乙酰胺在退火后对钙钛矿薄膜中未配位的离子缺陷具有有效的钝化作用。在组分工程与添加剂改性的协同作用下,在介孔结构中制备了光谱吸收范围宽、结晶质量高、薄膜缺陷少的Cs/Rb/FA钙钛矿薄膜,最终使印刷介观PSCs的器件性能获得了大幅提升。(4)基于Cs0.1Rb0.05FA0.85Pb I3钙钛矿的印刷介观PSCs展现出优异的器件性能,采用紫外(Ultraviolet rays,UV)固化胶对其进行器件封装研究。研究表明,“毯盖式”封装结构对钙钛矿薄膜和器件性能会产生严重的负面影响,因此优选“封边式”封装结构对印刷介观PSCs进行UV固化封装。采用UV固化“封边式”封装技术显著提高了印刷介观PSCs的水稳定性,从而提高其户外运行稳定性。
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