基于表面钝化的钙钛矿光电器件性能提升研究

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近年来,我国电力能源问题日益突出。钙钛矿材料因固有的光电特性,例如窄的发光峰,材料带隙可调,高的吸光系数,长的载流子扩散长度和载流子寿命长等,使得其在光伏和发光等领域逐渐成为新一代最具潜力来替换传统材料的半导体材料。但是,钙钛矿太阳能电池(PSCs)和钙钛矿白光发光二极管(WLED)的性能和稳定性仍是限制其商业化发展的最大瓶颈,而器件的性能和稳定性主要与钙钛矿材料的缺陷位点有关。本文通过对钙钛矿材料进行表面修饰和包裹,来改善钙钛矿薄膜质量和光电性能,并围绕修饰的钙钛矿材料在太阳能电池和钙钛矿发光LED器件应用方面展开研究。所得结论如下:(1)通过引入有机分子三辛基氧化膦(TOPO)作为钝化剂,在MAPb I3钙钛矿层旋涂的同时滴加TOPO氯苯溶液来对钙钛矿表面缺陷进行钝化处理。TOPO分子中的—P=O基团的氧原子表现出高的电子云密度和与Pb原子强烈的配位能力,从而实现对钙钛矿薄膜表面缺陷态的钝化。TOPO的引入不会改变钙钛矿薄膜的结构和吸光性能,但PL强度和荧光寿命明显增强。最后,制备了TOPO氯苯溶液修饰的倒置结构PSCs器件,且TOPO修饰后PSCs的光电转换效率(PCE)从10.84%提升到14.24%。同时,由于TOPO长链烷基的疏水性,使得TOPO修饰后的PSCs在室温无封装条件下的稳定性大幅度提升。(2)利用三氟乙酸铯(Cs TFA)替换传统Cs I作为Cs+源并通过一步溶液旋涂工艺制备三元Cs/FA/MA钙钛矿薄膜。其中,5%Cs TFA掺杂的Cs/FA/MA钙钛矿薄膜显示出更大的晶粒尺寸、较少的孔洞和更大禁带宽度(Eg)1.611 e V。然后,研究了4000 rpm到7000 rpm不同旋涂转速对钙钛矿薄膜形貌及PSCs器件PCE的影响。结果表明,钙钛矿层旋涂转速为6000 rpm时,Cs/FA/MA钙钛矿薄膜质量最好,表面孔洞较少且PSCs器件的PCE也达到最高。后采用MACl后处理策略对钙钛矿层进行表面钝化处理以减少了钙钛矿层表面的孔洞。最后,基于6000 rpm的旋涂转速和5%Cs TFA掺杂的Cs/FA/MA钙钛矿薄膜后加MACl后处理作为PSCs的吸光层,制备了一个倒置结构的PSCs器件,且PSCs器件的PCE达到12.19%。(3)通过十二烷基二甲基溴化铵(DDAB)配体交换和四甲氧基硅烷(TMOS)水解包覆策略制备出钙钛矿DDAB-Cs Pb X3QDs和Si O2包裹的钙钛矿DDAB-Cs Pb X3QDs。短链DDAB配体取代了OA和OLA配体附着在钙钛矿Cs Pb X3QDs表面。由于DDA+阳离子与负位点(Br-)具有强的亲和力,能够有效地钝化钙钛矿Cs Pb X3QDs表面缺陷态,得到较窄半高宽(FWHM)和高的量子产率(PLQY)。另外,Si O2包裹的DDAB-Cs Pb Br3QDs的稳定性显著提高,这归因于DDAB配体支链大的空间位阻与Si O2核壳保护的协同作用。最后,通过将绿光钙钛矿DDAB-Cs Pb Br3@Si O2 QDs和红光钙钛矿DDAB-Cs Pb Br1I2@Si O2QDs荧光粉混合在商用蓝光Ga N芯片上制成WLED,获得了具有强白光发射和在连续工作下良好EL稳定性的高质量白光LED。
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