单胺基锌卟啉调控制备高效稳定钙钛矿太阳能电池

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有机-无机杂化钙钛矿材料具有高吸收系数、高载流子迁移率、长载流子扩散距离和带隙可调等优点,已经成为下一代太阳能电池最具前途的光吸收材料之一。在过去十余年中,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从3.8%迅速提升至25%以上,充足的原材料和简易低廉的制备过程更是赋予钙钛矿太阳能电池巨大的商业潜力。然而,钙钛矿电池在运行条件下的长期稳定性问题依然是限制其产业化发展的首要难题;此外,随着电池器件面积增大,如何降低效率损失也是钙钛矿电池面临的另一挑战。针对上述问题,本论文利用单胺基锌卟啉配合物修饰钙钛矿薄膜,调控薄膜质量,钝化薄膜缺陷,从而提升钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性,实现大面积钙钛矿太阳能电池的制备。首先,我们简要介绍了钙钛矿材料的结构与性质、钙钛矿太阳能电池的结构与工作原理和钙钛矿太阳能电池的发展历程。然后,对钙钛矿太阳能电池目前存在的问题和已报道的解决策略进行简要总结与概述。针对钙钛矿电池存在的主要问题,提出了本论文的研究意义、研究思路和研究内容。为了钝化钙钛矿晶体表面与晶界处的缺陷,我们设计合成了单胺基锌卟啉(Zn P)配合物,将其添加到钙钛矿前驱体溶液中,从而修饰MAPb I3钙钛矿薄膜。Zn P配合物中的-NH2取代基可以与钙钛矿发生原位反应,以Zn P-H+的形式锚定在钙钛矿表面和晶界处。研究结果表明,Zn P分子修饰可以调控钙钛矿晶体生长,抑制离子迁移,实现离子固定,有效减少缺陷形成。基于Zn P分子修饰钙钛矿薄膜制备的电池性能和稳定性都得到了显著的提升。基于此,我们利用刮涂技术制备了最佳效率高达19.01%的大面积钙钛矿太阳能电池,为高稳定大面积钙钛矿太阳能电池的制备提供了新的策略。为了研究Zn P实现钙钛矿离子固定的具体机制,我们设计实施了四组对照实验,探究Zn P分子基团的功能和作用。研究结果表明,-NH2官能团可以与钙钛矿中的阳离子发生原位置换反应将Zn P分子以Zn P-H+的形式锚定在钙钛矿表面和晶界处,有效实现离子固定;卟啉基团可以起到类表面活性剂作用调控钙钛矿薄膜的结晶过程,制备均匀致密的高质量钙钛矿薄膜;卟啉基团还可以抑制离子逃逸,有效实现钙钛矿离子封装。Zn P分子基团的协同作用显著提升了钙钛矿太阳能电池的稳定性和性能,为钝化钙钛矿缺陷提供了新的思路。随后,我们利用Zn P分子中-NH2可以和邻近分子的中心金属Zn2+通过配位作用组装成聚合物的特点,利用单胺基锌卟啉对钙钛矿薄膜进行表面修饰,实现钙钛矿离子封装,从而进一步提高钙钛矿太阳能电池的稳定性。研究结果表明,Zn P分子自组装成一维“之”字形聚合物并均匀沉积在钙钛矿薄膜表面,该聚合物有效促进了钙钛矿电池的界面电荷转移,从而提高了刮涂法制备的大面积电池的最佳效率。更重要的是,基于该聚合物表面修饰的钙钛矿太阳能电池的稳定性得到了更显著的提升。
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