无铅双钙钛矿Cs2AgBiBr6太阳能电池的制备和优化

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近年来,铅基卤素钙钛矿材料(APb X3,A=Cs,FA,MA;X=卤素)因其优异的光学和电学性能如吸收系数大、载流子扩散距离长等而受到广泛关注。目前,运用该类钙钛矿材料的太阳能电池的最优能量转换效率为25.5%,已达到商业化水平,但由于铅毒性和环境不稳定性限制了其商业化应用发展。无铅双钙钛矿Cs2AgBiBr6因其环境稳定且绿色无毒及良好的光学和电学性能等优点,成为在太阳能电池商业应用最有潜力的材料。然而,由于器件制备不成熟及较差的薄膜质量使得Cs2AgBiBr6钙钛矿太阳能电池的光电转换效率仍远低于卤化铅杂化钙钛矿器件。因此优化Cs2AgBiBr6钙钛矿薄膜和太阳能电池器件具有重要意义。本文以优化Cs2AgBiBr6钙钛矿太阳能电池器件的光电转换效率为目的,通过研究传输层制备,探索了倒置和正置器件结构的优化。最后采用正置结构为基础,分别以GBL、DMF和DMAc为添加剂,与DMSO形成共溶剂,研究了添加剂比例和成份对薄膜形貌、微结构及器件性能的影响,并在此基础上,优化了基底预热温度。最后制备了路易斯碱加合物Bi Br3(DMSO)2,以其为前驱体,系统探索了该方法制备Cs2AgBiBr6钙钛矿薄膜的形貌和晶体结构并进一步优化了其器件光电性能。主要研究结果如下:通过C60掺杂PCBM一步溶液法制备的电子传输层优化了Cs2AgBiBr6钙钛矿倒置太阳能电池器件的光电转换效率,且当PCBM:C60为8:2时,器件性能较优。基于探究Sn O2的分散浓度和Spiro-OMe TAD的氧化时间优化了正置器件的光电转换效率,得到比倒置器件更优的性能。丁内酯(GBL)和二甲基乙酰胺(DMAc)共溶剂法有效地提升了Cs2AgBiBr6钙钛矿薄膜质量。丁内酯(GBL)共溶剂法制备的Cs2AgBiBr6钙钛矿薄膜厚度削减,不具有器件优化可行性。而DMAc共溶剂法中,随着DMAc在共溶剂中占比减少,薄膜质量提升,器件光电转换效率升高。通过DMAc共溶剂法和退火前预热处理相结合的方法进一步提升了器件性能。基于Bi Br3(DMSO)2加合物溶液的前驱体工程技术,实现了高覆盖率且表面光滑的大晶粒Cs2AgBiBr6钙钛矿薄膜制备。基于优化薄膜构建的平面正置太阳能电池光电转换效率达0.73%,与使用对照样品制备的太阳能电池器件相比,其开路电压和填充因子提高了40%。
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