【摘 要】
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近年来,光伏领域见证了钙钛矿太阳能电池(PSCs)的快速增长,其卓越的功率转换效率(PCE经认证已达到25.2%)可与商用太阳能电池相媲美。具有倒置结构(p-i-n结构)的PSCs由于其易低温溶液制备,成本效益和可忽略的滞后特性而备受科学界的广泛关注,其设备性能和稳定性方面的一些最新进展表明了其前景广阔,但是仍有很大的进步空间。界面工程在PSCs的当前技术挑战(例如光电性能,可重复性,迟滞性和稳定
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近年来,光伏领域见证了钙钛矿太阳能电池(PSCs)的快速增长,其卓越的功率转换效率(PCE经认证已达到25.2%)可与商用太阳能电池相媲美。具有倒置结构(p-i-n结构)的PSCs由于其易低温溶液制备,成本效益和可忽略的滞后特性而备受科学界的广泛关注,其设备性能和稳定性方面的一些最新进展表明了其前景广阔,但是仍有很大的进步空间。界面工程在PSCs的当前技术挑战(例如光电性能,可重复性,迟滞性和稳定性)中起着重要作用,是改善PSCs性能的重要策略。对于倒置器件结构,空穴传输层(HTL)不仅为钙钛矿层或电极提供了保护屏障,而且在电荷提取、传输和抑制界面复合方面起着重要作用。近年来,聚合物PTAA已被广泛用作倒置PSCs中空穴传输材料(HTM)。然而,PTAA的疏水性以及所产生的欧姆损耗严重阻碍了PSCs向商业化的发展。本文基于有机单层(ML)策略,从界面优化的角度出发,进行了一系列的改进:首先通过PTAA ML策略,提供了高亲水性表面以实现高质量钙钛矿薄膜;其次,使用F4-TCNQ对PTAA ML进行界面改性,引起更加向上的能带弯曲,减少器件损耗;最后,在PTAA ML和钙钛矿层之间引入PTB7-Th作为钝化层,钝化界面陷阱态和减少电荷积累,从而降低界面载流子复合,提高器件性能。在第一部分中,通过氯苯洗涤使PTAA薄膜变成ML,X射线光电子能谱(XPS)验证了Sn-N键的形成使PTAA ML锚定在ITO表面。PTAA ML分子取向经ITO粗糙表面扰乱后为钙钛矿前体溶液的沉积提供了良好的润湿性表面,有利于制备出大面积,均匀,致密且无针孔的钙钛矿薄膜。基于PTAA ML的PSCs实现了18%以上的PCE,具有出色的光伏性能和高重复性。这项研究为在倒置PSCs中应用非润湿性的HTM提供了有效的策略。在第二部分中,我们使用F4-TCNQ对ITO/PTAA ML进行界面改性。F4-TCNQ对PSCs的界面改性不同于一般的p型掺杂,F4-TCNQ使ITO/PTAA ML基板的WF大大增加,从而在钙钛矿薄膜内部引起更加向上的能带弯曲,从而增强内建电势来抑制界面电荷的复合,并有效减少VOC损失,增进空穴传输和电子阻挡,显著降低PSCs中的损耗。最后,具有F4-TCNQ的PSCs的VOC增加了40 meV,相应的器件性能提高到约19.4%。这种界面改性方法对进一步改善平面倒置PSCs的性能非常实用,为界面优化提供了一种简便实效的途径。在第三部分中,通过将聚合物PTB7-Th作为钝化层插入PTAA ML和钙钛矿层之间,其羰基作为吸电子端基,可以与配位不足的Pb2+进行路易斯酸碱反应,减少界面处的电荷陷阱态。另一方面,PTB7-Th较合适的HOMO能级更有利于阳极与钙钛矿层能级对准,减少界面处电荷积累。最终,基于PTB7-Th钝化层的器件实现了约19%的PCE。这种在PSCs结构中引入界面钝化层的方法为有机光伏给受体材料应用在PSCs领域提供了一种实用有效的策略。
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