铯基全无机钙钛矿太阳能电池的结构设计与性能优化
由于热稳定性、环境稳定性差等本征特性的限制，基于有机-无机杂化钙钛矿材料的太阳能电池虽然获得了令人惊喜的光电性能，但其较差的湿热稳定性阻碍了商业化的实际应用。纯无机钙钛矿材料应运而生，研究者以无机阳离子铯(Cs)取代甲胺等有机基团，获得了更强的热稳定性、更高的载流子迁移率、更长的电荷扩散距离和更大的理论开路电压。然而，无机钙钛矿太阳能电池领域也存在诸多问题，例如光伏性能优异的立方相结构常温下不稳定、器件结构不合理导致的较大能量损失、载流子传输不平衡、薄膜形貌及质量调控机制不明确等等，严重阻碍了铯基全无机钙钛矿太阳能电池的发展。本论文基于上述科学问题，通过组分工程、异质结工程、界面工程、添加剂钝化工程等方法，对无机钙钛矿薄膜吸光层及光伏器件进行结构调控与性能优化，改善了材料结构稳定性，抑制了缺陷导致的电荷复合，构建了较为清晰的理论模型，显著改善了光伏器件的光电转换性能，主要研究内容如下:(1)以全无机钙钛矿材料CsPbBrI2为基础，将半径较小的氟离子掺杂引入ABX3立方结构的X位点制备了CsPbBrI2-xFx钙钛矿体相异质结钙钛矿太阳能电池。系统研究了不同氟掺杂量对CsPbBrI2-xFx钙钛矿薄膜的结构、光学性质和电荷传输特性的影响，发现α/δ复合相结构不仅构建了促进载流子分离和传输的Ⅱ型异质结，减少了电荷复合损失，延长了载流子寿命，还增强了钙钛矿薄膜整体的相结构稳定性，使等效容差因子数值更接近立方相稳定的经验值，常温环境中的耐湿性大大提高。经一系列调控优化，基于组分为CsPbBrI1.78F0.22的无机钙钛矿太阳能电池表现出10.26％的光电转换效率和优异的工作性能稳定性。 (2)设计并构建了CsPbBrI2和Spiro-OMeTAD之间的碲化铋(Bi2Te3)界面层结构。经电化学、光电化学测试表明，由于Bi2Te3界面层与两侧材料相匹配的能级结构，陷阱态密度大幅度降低，提高了空穴提取和传输速率，延长了电荷有效寿命，使得电子，空穴复合减少。基于该结构的无机钙钛矿太阳能电池的光电转换效率获得了显著提高。此外，Bi2Te3还阻挡了钙钛矿层与银对电极之间的离子迁移和反应，避免了不可逆绝缘退化产物的形成，增强了整体器件的长期稳定性。 (3)采用环境友好、价格低廉的硒化锑(Sb2Se3)与无机钙钛矿CsPbBrI2组合，开发构建了一种新型p-n异质结全无机光伏器件。为了减少薄膜沉积过程中Sb2Se3表面存在的硒空位缺陷，我们通过蒸发硒粉的后处理方法，成功减少了Sb2Se3薄膜的电荷复合中心及其导致的能量损失，同时还降低了其费米能级，增强了内建电场和载流子传输的驱动力。与CsPbBrI2相比，Sb2Se3的光学带隙较窄，扩大了器件的光捕获范围，太阳光利用效率有所提升。此外，由于Sb2Se3的疏水性的保护，CsPbBrI2钙钛矿在无封装条件下也能够较长时间保持性能稳定，离子迁移的问题也得到缓解。优化后的Sb2Se3/CsPbBrI2p-n异质结太阳能电池兼具高效和稳定，光电转换效率超过9％。 (4)通过将铜锌锡硫(CZTS)量子点作为钝化剂引入无机钙钛矿薄膜，优化了钙钛矿薄膜的结晶过程，降低了缺陷密度。CZTS量子点为钙钛矿薄膜结晶提供了丰富的异质形核位点，提高了致密度，减少了晶界缺陷，减少了载流子的非辐射复合，从而使得钝化后的钙钛矿薄膜表现出更优的光电性能。基于CZTS量子点修饰的CsPbBrI2薄膜的平板型太阳能电池与未修饰的原始器件相比，开路电压由0.96V提高至1.12V，光电转换效率由8.70％提高至11.96％。
全无机钙钛矿;界面修饰;太阳能电池;结构设计;性能优化
山东大学
博士
材料物理与化学
尹龙卫
2021
中文
TM914.4
2021-08-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）