摘要
有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSCs）作为第三代新型太阳能电池的代表，其转换效率高、制备工艺简单，具有异常广阔的发展前景。作为层叠结构二极管型器件，其功能层间必然存在许多异质结界面。其中，最重要的是载流子传输层/钙钛矿光吸收层的层间界面，不仅直接影响载流子的提取与输运，还会严重影响在此之上制备的下一功能层的生长质量。因此，本论文围绕载流子传输层/钙钛矿光吸收层界面，旨在通过界面修饰手段改善钙钛矿光吸收层的结晶质量，并优化传输层与吸收层的能级匹配，提高载流子提取与传输效率，抑制载流子在界面处的复合。主要研究内容包括以下四个部分： （1）采用全低温、一步原位生长策略制备了具有纳米针形貌的新型Nb:TiO2电子传输层。二氧化钛（TiO2）是PSCs中最常用的电子传输层，但其电导率、迁移率均较低，且其制备流程往往需要高温处理工艺，导致基于TiO2的器件制备成本高昂。为此，本文采用TiCl4-水溶液和NbCl5-乙醇溶液双体系共水解方式，在70℃的低温条件下，一步原位制备了Nb:TiO2致密-介孔双功能电子传输层。该方法在TiO2表面生长了具有纳米针形貌的复合结构，形成了直接的TiO2-钙钛矿电荷传输通道，减少了光吸收层与电子传输层界面处电荷积累，使器件的迟滞因子从24.39%降低至3.19%。同时，该方法提高了TiO2的导电能力，改善了电子传输层的电荷输运特性，使电池的光电转换效率从15.70%提升到19.74%。 （2）引入岛状分布二维MXene材料Ti3C2Tx作为二氧化锡（SnO2）/钙钛矿界面的修饰层。SnO2相较于TiO2具有更高的电子迁移率，是一种非常理想的电子传输层材料，但SnO2与钙钛矿前驱体浸润性差，极易造成成膜覆盖不均。本文在SnO2表面旋涂一层岛状分布的二维Ti3C2Tx修饰层，利用其表面终止基与PbI2和CH3CH2I相互作用，改善了与钙钛矿前驱体间的浸润性。同时，该修饰层可作为钙钛矿定向形核的吸附位点，抑制在前驱体液相内部的成核数量，获得μm级大晶粒尺寸的膜层。此外，由于Ti3C2Tx所具备的超高导电性，改善了SnO2/钙钛矿界面位置的光生载流子的提取、传输特性，使电池的光电转换效率从15.78%提升到19.39%。 （3）采用Ar等离子体对PEDOT:PSS空穴传输层进行界面修饰。PEDOT:PSS由于透光性及柔韧性好，常被用作反型钙钛矿太阳能电池的空穴传输层材料，然而其中PSS组分不传输载流子，与钙钛矿的能级匹配及浸润性不佳，限制了其进一步的应用。本文采用Ar等离子体对PEDOT:PSS进行界面改性，对非导电PSS相进行定向刻蚀，使得界面处PEDOT/PSS摩尔比由14%提高至44%，电导率由12.8mScm-1提高至17.9mScm-1，增强了PEDOT:PSS膜层的空穴提取及传输能力。此外，Ar等离子处理产生了新的悬挂键，提升了钙钛矿前驱液在PEDOT:PSS表面的浸润性，增强了钙钛矿膜层的结晶质量。该等离子体选择性调控聚合物表面组分的方法为改善界面载流子传输特性，推动MAPbI3类型钙钛矿太阳能电池的创新发展提供了参考。 （4）采用气体吹拂工艺处理钙钛矿半固态液膜-气相界面，辅助一步溶液法获得了高质量钙钛矿光吸收层。一步溶液法制备工艺简单、商业前景广阔，但用其直接旋涂制备钙钛矿光吸收层，易形成树枝状结晶结构，降低薄膜覆盖率。目前常采用的苯系物反溶剂辅助制备方法，不仅毒性大，且操作窗口时间窄，可控性不强，严重限制了其商业应用。本文在一步旋涂制备钙钛矿薄膜过程中，引入高速惰性气流吹拂钙钛矿液膜表面，结合基于DMSO的溶剂工程，在数十秒的超宽有效时间窗口内，均获得了平整、致密的微米级大晶粒尺寸钙钛矿薄膜，为高效钙钛矿太阳能电池的稳定、可重复制备奠定了基础。
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