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有机发光小分子材料DBP对钙钛矿太阳能电池性能的影响

丁赛赛  
【摘要】:有机-无机杂化钙钛矿作为优异的光电材料,具有载流子迁移率高,双极电荷传输,高消光系数等优点,以此为基础开发的钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells:PSCs)具有制备工艺简单、易实现柔性、半透明等优势,因此近年来在太阳能电池领域得到了广泛关注和研究,其能量转换效率(Power conversion efficiency:PCE)自2009年最初报道的3.8%迅速提升到了目前的23.7%,展现了其广阔的应用前景。研究表明,PSCs中光敏层和电荷输运层之间的界面缺陷态是能量损失的主要途径之一。在PSCs制备过程中,很容易在钙钛矿晶粒表面或晶界处形成缺陷,尤其是在光敏层与传输层接触界面,这会导致载流子复合损失,从而限制了器件的效率和稳定性。如何通过界面工程钝化界面缺陷,实现界面电荷的高效提取,改善电池的稳定性成为目前该领域重要的研究课题。为此,本文提出了一种四苯基二苯并二茚并芘(DBP)发光小分子界面钝化材料,将其插入钙钛矿与载流子传输层之间进行界面修饰,钝化钙钛矿的表面、界面缺陷态,减少载流子的复合损失,调控钙钛矿层与电荷输运层的能级排列,使载流子更好地传输与提取,并通过DBP和钙钛矿之间的能量转移提高PSCs在近红外波段的光吸收,以实现电池效率的有效提高。同时利用DBP的疏水性保护光敏层免受不利环境破坏,提高电池的稳定性。本文内容主要分为两个部分:(1)研究了DBP在倒置结构PSCs中的作用。在钙钛矿MAPbI_3与电子输运层PC_(61)BM之间插入发光有机小分子材料DBP作为界面修饰层,使PSCs的平均PCE达到了15.61%(最高PCE达到16.77%),明显高于参考电池的14.26%。PCE提升的原因是DBP的多种功能协同作用的结果。作为界面改性层,DBP可以减少钙钛矿表面晶粒和晶界处的缺陷,从而减少载流子的复合。另一方面利用DBP和钙钛矿之间存在F?rster能量转移提高了MAPbI_3层在近红外区域的光吸收。从能级结构上分析,插入超薄的DBP具有提高开路电压的作用,而且DBP的疏水性和缺陷钝化作用提高了PSCs的水氧、热和光稳定性。(2)研究了DBP在正置结构PSCs中的作用。一是将DBP作为界面层插入钙钛矿Cs_(0.05)(MA_(0.17)FA_(0.83))_(0.95)Pb(I_(0.83)Br_(0.17))_3与空穴传输层Spiro-OMe TAD之间,二是将DBP作为掺杂剂与Spiro-OMeTAD共混作为空穴传输层,分别研究其对电池性能的影响。基于DBP界面层的正置PSCs平均PCE为15.59%(最高PCE达到17.03%),明显高于参考电池的14.61%。基于DBP作为掺杂剂的器件平均效率为15.22%(最高PCE达到16.67%),优于参考电池。对于有DBP的器件,其Voc,FF均有提升,Rs有所下降。其效率提升的关键是DBP加入三元钙钛矿可以改善光谱吸收,钝化钙钛矿表面以及调控界面能级。另一方面DBP的疏水能力有效防止水蒸汽进入钙钛矿层,提升了电池的稳定性。


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