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两性离子化合物对钙钛矿太阳能电池的界面和晶体生长调控

陈巧云  
【摘要】:在过去的10年中,钙钛矿太阳能电池发展迅猛,且其认证效率已达到25.2%,成为第3代太阳能电池中强有力的竞争者。钙钛矿太阳能电池的优势在于制备工艺简单、制作成本低、可制备为柔性器件等。高性能钙钛矿太阳能电池不仅要求钙钛矿光活性层材料具备良好的电荷分离能力和高效的光电转换性能,还需要合适和性能优异的界面传输层材料。这两个方面是钙钛矿太阳能电池领域主要的研究方向。本论文将两性离子化合物甲基丙烯酸磺酸甜菜碱(SBMA)及其聚合物PSBMA引入钙钛矿太阳能电池中,分别研究了这类化合物作为界面修饰材料和钙钛矿添加剂,对太阳能电池光电转换效率和稳定性的影响。结果表明,作为界面修饰层,PSBMA可以提高钙钛矿活性层形貌和质量,降低电子传输层和电极之间的能级势垒;另一方面,作为添加剂,SBMA可降低钙钛矿薄膜的缺陷态密度,提高器件的内建电场,提高钙钛矿太阳能电池电池光电转换效率和稳定性。研究进展包括:1、PSBMA用作p-i-n型钙钛矿太阳能电池的界面修饰层。(1)阳极端,PTAA与PSBMA双层薄膜作为空穴传输层,不仅解决了 PTAA与钙钛矿前驱体溶液不浸润导致的钙钛矿薄膜覆盖率低的问题,还有效地降低了活性层的缺陷态密度,提高了器件的开路电压。(2)阴极端,PC61BM与PSBMA双层薄膜作为电子传输层。PSBMA的引入降低了阴极Al的功函,减小了 PC61BM与Al之间的能级势垒,提高了电子注入效率。(3)PSBMA同时引入阳极和阴极端,使得太阳能电池的光电转换效率从17.31%提高到19.16%,并且提高了器件的稳定性。更为重要的是,PSBMA在大面积太阳能电池中具有明显的优势。1 cm2的太阳能电池的光电转化效率达到15.7%。2、SBMA作为钙钛矿层添加剂。在钙钛矿前驱体溶液中掺入少量SBMA,SBMA的C=O和S=O基团与Pb2+之间形成路易斯酸碱对,控制了钙钛矿的结晶,钙钛矿薄膜的平整度和结晶性显著提高,缺陷态密度明显降低,从而有助于太阳能电池开路电压和填充因子大幅提高,电池的光电转化效率从19.77%提高到21.44%。此外,器件的热稳定性也显著提高,在氮气中、60℃温度下加热300小时以后,器件效率仍然能保持初始效率的90%以上。


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