界面工程制备高性能钙钛矿太阳能电池

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近年来,钙钛矿材料因其优良的光电性能、溶液加工特性和成本低廉等优点而受到人们广泛的关注。尽管钙钛矿太阳能电池(PSCs)的效率从最初的3.80%跃升至25.50%,但其材料不稳定、界面能级失配以及器件光热稳定性差等问题尚需解决。本论文针对这些问题,通过界面材料合成和修饰来提高钙钛矿器件的性能和稳定性。主要内容如下:(1)制备金属氧化物-PEDOT:PSS的复合材料调控界面功函数和润湿性提高PSCs的性能。PEDOT:PSS在光伏器件中可以通过卷对卷沉积在基底上,但其酸性和不匹配的能级限制器件的性能和稳定性。本论文通过在PEDOT:PSS溶液中加入不同的金属铵盐,采用低温处理其前驱体薄膜制备PEDOT:PSS-AxOy(VOx;Mo Ox;WOx)复合薄膜。基于PEDOT:PSS-Mo Ox的器件比纯PEDOT:PSS器件具有更高的能量转换效率(PCE)(19.64%vs 12.19%))。PEDOT:PSS-AxOy表面自由能的增加有利于形成大尺寸晶粒和无针孔的钙钛矿薄膜,导致非辐射复合的减少。同时,只需很少的掺入量就可以使PEDOT:PSS的功函数调节到与光活性层的能级相匹配,从而将器件的开路电压提高1.1倍。此外,基于PEDOT:PSS-AxOy的器件具有更好的长期稳定性,未封装的PEDOT:PSS-Mo Ox PSCs在氮气和大气环境氛围中放置45天和20天后分别保留了超过90%和80%的初始PCEs。PEDOT:PSS-AxOy可以潜在地应用于电子设备的大规模生产。(2)合成非掺杂有机小分子空穴传输材料(HTM)提高全无机PSCs的稳定性。Spiro-OMe TAD作为正向器件最常用的HTM,由于掺杂剂的存在降低了器件的稳定性,同时复杂的合成路线和提纯难度也增加了制造成本,这些都不利于器件的大规模生产。本论文合成一种易于制备,成本低的非掺杂小分子BD HTM来代替Spiro-OMe TAD制备Cs Pb I2Br器件。基于BD的Cs Pb I2Br器件获得了12.79%的效率,与Spiro-OMe TAD的器件性能(13.31%)相近。但BD器件的成本大幅度地降低以及稳定性有效地提高。在干燥空气中放置60天,基于BD的器件效率基本保持不变;即使在85 oC的条件下加热35天,器件效率也能维持初始效率的90%以上。因此,具有高空穴迁移率及低成本的BD有望替代Spiro-OMe TAD作为一种有前途的HTM应用于PSCs中。(3)无机PSC的界面电荷调整。与杂化钙钛矿相比,无机钙钛矿具有提高热稳定性的潜力,但其光电性能受到薄膜缺陷和电荷转移不平衡的限制。本论文采用富勒烯-乙二胺衍生物(C60-EDA和C70-EDA)对Sn O2层进行预处理,并使用5-氨基戊酸氢溴酸(5-AVABr)对Cs Pb I2Br钙钛矿薄膜进行后处理,使目标器件具有较高的光伏/电致发光(PV/EL)性能。Sn O2:C60-EDA和Sn O2:C70-EDA由于成膜性能的改善,可以诱导制备缺陷密度低、界面连通性好的大晶粒Cs Pb I2Br薄膜。结合预-后处理平衡n-i-p界面的电荷转移,制备了高效的全无机钙钛矿双功能器件(PBD)。目标Cs Pb I2Br器件实现了在光伏模式下16.58%的光伏效率以及EL模式下6.2%的外部量子效率(EQEEL),远高于对比器件(12.06%的光伏效率和1.0%的EQEEL)。目标器件在干燥空气中存放65天和85℃条件下加热12天,其性能仍能保持初始值的93%和80%。稳定的PBD具有更有效地利用太阳能为电子设备提供智能电源的潜力。(4)基于掺杂金属氧化物的全无机钙钛矿太阳能电池。全无机PSCs由于界面接触差而不易获得高性能。本论文采用简单的溶液法制备Sn掺杂Ti O2(Ti1-xSnxO2)超细纳米粒子作为电子传输层(ETL),分别应用于常规的n-i-p和倒置的p-i-n PSCs中。研究发现Ti0.9Sn0.1O2纳米晶具有良好的导电性、成膜性和较高的功函数。基于Ti0.9Sn0.1O2/Cs Pb I2Br/Spiro-OMe TAD n-i-p器件可获得15.18%的效率,同时Ni Ox/Cs Pb I2Br/Ti0.9Sn0.1O2全无机p-i-n器件的效率可达14.00%。在85℃保存65天和连续光照600 h后,倒置PSCs器件效率无衰减。研究表明,超细二元氧化物Ti1-xSnxO2可以提高钙钛矿电池的稳定性和面积可扩展性。
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