【摘 要】
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有机无机杂化钙钛矿太阳电池(PVSCs)因其优异的光电性能和低成本的溶液工艺,具有良好的市场竞争力和商业前景。经过十几年的深入研究,PVSCs能量转换效率(PCE)已成功提升至25.5%,使其能够与目前占据市场主导地位的硅基太阳能电池相媲美。然而,传统铅基钙钛矿的生物毒性带来的环境污染以及在水、氧、热和光等外界条件下的不稳定性,使其难以被大规模的商业化应用。钙钛矿薄膜的结晶对整个器件的PCE及稳定
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有机无机杂化钙钛矿太阳电池(PVSCs)因其优异的光电性能和低成本的溶液工艺,具有良好的市场竞争力和商业前景。经过十几年的深入研究,PVSCs能量转换效率(PCE)已成功提升至25.5%,使其能够与目前占据市场主导地位的硅基太阳能电池相媲美。然而,传统铅基钙钛矿的生物毒性带来的环境污染以及在水、氧、热和光等外界条件下的不稳定性,使其难以被大规模的商业化应用。钙钛矿薄膜的结晶对整个器件的PCE及稳定性有着至关重要的作用,高质量钙钛矿薄膜不仅确保了充分的光捕获,还可以减少载流子的复合,提升器件内部电荷传输,进而改善器件的光电性能。除此之外,界面材料对于器件性能也具有重要的影响。但是,目前高质量钙钛矿薄膜的制备以及优异界面传输材料的开发仍然是一个巨大的挑战。本论文通过添加剂工程及界面工程实现对钙钛矿薄膜形貌、本征疏水性、界面晶格应变及界面反应的调控,以提高PVSCs的效率及稳定性。具有窄禁带和高载流子迁移率的锡基钙钛矿是制备高效无铅PVSCs的理想材料。然而,锡基钙钛矿结晶过程难以调控,使得锡基钙钛矿薄膜富含大量针孔,从而导致对应PVSCs的PCE值较低。同时,锡基钙钛矿膜的环境稳定性较差,阻碍了其进一步的发展。通过在反溶剂中引入乙烯-乙酸乙烯脂共聚物(EVA)调控FASn I3钙钛矿的结晶速率实现对薄膜质量的优化。EVA中含有的碳基(C=O)与钙钛矿晶粒中未配位的锡原子具有很强的Lewis酸碱络合作用,可以大大改善晶粒尺寸,优化晶粒取向,减少FASn I3薄膜的表面缺陷。结果,基于EVA修饰后器件的效率提升至7.72%且具有良好的重现性。更重要的是,基于EVA修饰后的FASn I3钙钛矿薄膜具有自封装效应,展现出明显的阻水隔氧效果,其对应PVSCs在湿度为60%的空气环境中老化48小时后仍能保持初始效率值的62.4%。这为构筑高效稳定的锡基PVSCs提供了新的启示。氧化锌(ZnO)由于具有良好的电子迁移率、可见光透过率和与钙钛矿之间更匹配的能级,有望成为平面PVSCs中理想的电子传输层(ETL)。然而,ZnO与钙钛矿之间仍然存在着一定的界面失配和脱质子作用,导致ZnO基PVSCs的发展相对停滞。通过将聚多巴胺(PDA)引入铝掺杂的ZnO(AZO),能够有效地钝化AZO表面缺陷,减少载流子在缺陷处的非辐射复合。此外,经过PDA修饰后的AZO(AZO:PDA)不仅可以诱导钙钛矿晶粒垂直生长,而且可以释放钙钛矿晶格应变,抑制钙钛矿与界面层之间去质子化反应。因此,基于AZO:PDA制备的FA0.9Cs0.1Pb I3器件实现了21.36%的PCE,且稳定性显著增强。未封装的器件在85℃下存放360小时和连续光照500小时后,可分别保持90%和88%的初始效率。此外,由于AZO:PDA具有耐弯折性和强界面粘附性的特点,其对应柔性器件的PCE高达18.51%,这是ZnO基柔性PVSCs中PCE最高的记录之一。
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