聚合物受体层的高性能钙钛矿太阳能电池研究

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钙钛矿材料因其光吸收能力强、载流子迁移率高、禁带宽度容易调控、载流子寿命长和加工模式众多等优点而备受关注;钙钛矿太阳能电池经过短短十年的发展,光电转换效率就从3.81%提高到了25.2%,其中倒装平面异质结结构的钙钛矿太阳能电池因其制备工艺简单且光电性能优异等特点,成为了主流研究方向之一。在目前倒装平面异质结钙钛矿太阳能电池的研究中,富勒烯及其衍生物是最常使用的受体材料,但是这种材料容易聚集、不稳定且生产成本比较高;而聚合物类受体材料具有更好的成膜能力、生产成本低、能级易调控以及疏水性好以保证器件长期稳定性等优点,受到相关研究人员的广泛关注。因此,本文研究了两种新型聚合物受体材料作为受体层,制备的高性能钙钛矿太阳能电池,随后使用界面修饰材料对钙钛矿活性层薄膜表面进行修饰,提高了器件的光电性能,并研究了性能提高的机理。首先,探究了聚合物受体材料的最佳溶液浓度和成膜工艺,在对聚合物ZLP12、聚合物ZLP26材料的薄膜和制备的器件进行优化后,发现溶液浓度为2 mg/m L,转速为3500 rpm时,制备的受体层薄膜粗糙度小、覆盖率高、缺陷少,厚度合适,相应器件的光电转换效率最高可达11.28%,但是具有一定的迟滞效应。为了进一步提高ZLP12、ZLP26受体层的器件的光电性能,引入聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)来修饰钙钛矿活性层薄膜表面,器件的光电转换效率提高到了12.85%,同时器件的迟滞效应也得到改善;这主要得益于PMMA对钙钛矿薄膜表面的钝化作用,增强了受体层与钙钛矿层之间的界面接触,减少了载流子非辐射复合通道,从而提高了器件的光电性能。对上述实验结果进行深入研究和分析后,尝试将PMMA直接掺入PCBM的溶液中,配置成PMMA:PCBM的共混溶液,旋涂成膜直接作为钙钛矿太阳能电池的受体层;通过不断优化工艺,得到了高性能的钙钛矿太阳能电池,器件的光电转换效率可高达17.72%,并且在环境中放置30 d后仍然保有80%以上的初始光电转换效率,相较于PCBM受体层的器件,PMMA:PCBM受体层的器件光电性能和稳定性都得到大幅提高。
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