钙钛矿太阳能电池的光活性层优化、界面调控及器件集成工艺研究
在过去的十几年间，钙钛矿太阳能电池(PSCs)的认证功率转换效率(PCE)从3.8％迅速提升至25.7％,引起了学术界和工业界的广泛关注。作为新兴的清洁能源技术，PSCs在第三代光伏发电技术研究领域中占主导地位，有助于推动我国的碳达峰与碳中和战略进程。然而，PSCs的商业化应用仍然存在长期稳定性不足和潜在的环境污染等问题。本论文针对平面PSCs面临的空位缺陷、离子迁移以及铅泄漏等问题，采用相应的缺陷钝化、界面修饰和内部封装等策略，实现了低缺陷态密度、相态稳定和铅固载的钙钛矿薄膜的制备，从而提升了 PSCs的效率和稳定性。具体研究内容如下: (1)开发了一种简便且普遍适用的钙钛矿薄膜表面修饰策略。通过在钙钛矿薄膜的表面引入CdBr2而有效地填充了钙钛矿薄膜的卤化物空位且同时钝化了未配位的Pb缺陷。研究发现，CdBr2表面修饰策略对三种典型钙钛矿材料(MAPbI3、Cs0.15FA0.85PbI3和CsPbI2Br)均具有提升薄膜结晶质量、延长载流子寿命并减少缺陷态密度的能力。基于CdBr2的表面修饰策略制备的结构为ITO/SnO2/MAPbI3/C的碳基PSCs(C-PSCs)实现了 16.05％的PCE,同时大大提升了器件在环境、光照和加热条件下的长期稳定性。 (2)采用具有电负性空腔和富电子π键的DB18C6冠醚分子制备阳离子固载及相稳定的FACsPbI3钙钛矿光吸收层。得益于DB18C6分子中的电负性空腔与阳离子的络合作用以及苯环 π键与阳离子的相互作用，FACsPbI3钙钛矿层中光诱导的阳离子迁移在极大程度上被抑制，从而实现相态稳定的钙钛矿薄膜的制备。经过DB18C6修饰的钙钛矿薄膜在环境条件下连续光照24 h后仍然保持着优异的相稳定性和可忽略的降解，同时表现出良好的抵抗湿气侵蚀的能力。DB18C6修饰的结构为ITO/SnO2/FACsPbI3/spiro-OMeTAD/Ag 的 PSCs 实现了 20.84％的 PCE,即使在500 h连续光照以及85℃加热后仍分别保留了其初始效率的94.73％和 90.18％。 （3）报告了一种原位聚合自屏蔽策略用于固定钙钛矿薄膜中的铅离子以减少PSCs的铅泄漏。具体地，向钙钛矿前驱液中引入衣康酸二甲酯（DMI）单体，在钙钛矿薄膜的热力学退火过程中诱导原位聚合形成钙钛矿-聚合物（PDMI）杂化物。主要聚集在钙钛矿晶界处的PDMI可以有效地抑制薄膜自晶界处分解的情况，减少铅泄漏的位点。同时PDMI中C=O与钙钛矿薄膜中未配位的Pb2+离子存在的相互作用能够有效降低薄膜的缺陷态密度，同时抑制Pb2+离子的逃逸。将无外部封装的PSCs器件置于去离子水中180 min后，Pb2+离子的溶解量可降低至2 ppm以下。采用原位聚合自屏蔽策略制备的PSCs实现了 20.67％的PCE,且无外部封装的PSCs在环境条件下储存1000 h后可保留初始PCE的94.17％,远高于对照组（81.72％）。 （4）引入了卵磷脂（PC）隔绝层用于封装钙钛矿活性层表面以抑制铅泄漏和减少缺陷态密度。PC分子具有一端亲水和一端疏水的特性，当PC分子作用于钙钛矿薄膜表面时，其亲水端的磷酸基团和作为电子供体的C=O双键可与钙钛矿晶格中的Pb2+离子产生相互作用而实现铅泄漏的抑制。同时，PC分子的疏水端会自动朝外而增强钙钛矿薄膜的疏水性。最终，PC分子与Pb2+离子之间的相互作用和钙钛矿薄膜增强的疏水性使得无外部封装的PSCs在常温水中的铅泄漏量比对照组减少了 90％以上。同时，含有PC隔绝层的PSCs实现了 22.67％的PCE,在环境条件(T=15±5℃,RH=30-40％)下储存2000 h后，器件仍然能保持其初始PCE的92.62％。
钙钛矿太阳能电池;钙钛矿薄膜;制备工艺;缺陷钝化;界面修饰;封装策略
北京化工大学
博士
化学工程与技术
陶霞
2023
中文
TM914.4;TN304.055
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）