摘要
近年来金属卤化物钙钛矿材料由于其优异的光电性能、低廉的材料成本和制备成本，成为光伏、光电、光探测领域的研究热点。如今钙钛矿太阳能电池的效率最高可达25.5‰已经十分接近硅太阳能电池的效率记录。然而钙钛矿材料作为离子晶体本征地具有较差的稳定性，高温、水、氧气、光照等条件都会破坏其原有的结构，导致钙钛矿太阳能电池在实际应用场景中寿命很短，严重限制了其商业化应用。准二维钙钛矿由于晶体表面被疏水的有机配体覆盖且表面缺陷得到了钝化，其稳定性相对三维钙钛矿有了明显的提升。然而由于有机配体的绝缘性，准二维钙钛矿的载流子传输受到了阻碍并表现出明显的各向异性，因此调控准二维钙钛矿的晶体取向并探究其内在机理对实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池有重要意义。本论文针对准二维钙钛矿取向难以调控、器件性能低下的问题，通过使用添加剂成功得到了具有高度垂直取向的准二维钙钛矿，基于此制备的太阳能电池短路电流(Jsc)和填充因子(FF)明显提高;通过使用基于同步辐射的广角掠入射X射线散射(GIWAXS)对准二维钙钛矿的结晶过程进行原位表征，提出了不同添加剂改善晶体取向的具体机理。本文主要内容如下: 1.搭建了在上海同步辐射光源(SSRF)BL14B1衍射线站使用的原位实验装置，配合高强度的同步辐射光和面探测器，可以实现对旋涂、退火、老化等多种晶体变化过程进行原位X射线衍射表征。由于面探测器只能采集到衍射向量在探测器上的二维投影，因此需要将无法观测到的qx分量计入考量，对得到的二维衍射图样进行校正。基于这个需求，与合作者针对BL1481线站的面探测器开发了数据校正程序。 2.通过在准二维钙钛矿BA2MA3Pb4I13中添加10％KI，大幅提升了晶体的垂直取向和晶粒尺寸，并利用原位GIWAXS对BA2MA3Pb4I13与含10％KI样品的旋涂过程进行了观测，发现KI的引入减缓了钙钛矿结晶速率并抑制了中间相的形成。添加10％KI将太阳能电池的Jsc和FF分别由11.79mAcm-2、0.36提高到了17.13mAcm-2和0.62，从而实现了11.26％的转化效率(PCE)。通过与热旋涂工艺制备的器件进行比较，发现使用10％KI添加剂得到的器件具有更高的效率和更好的可重复性。 3.利用原位GIWAXS对基于4-BrPEA2MA4Pb5I16的钙钛矿薄膜结晶过行了表征，结果表明晶体的取向在旋涂过程中就已经产生。通过加入不同的添加剂，发现当结晶过程中有中间相出现时晶体取向较差。通过改变X射线入射角对薄膜的不同深度进行探测，发现中间相只存在于薄膜的内部。首次提出在溶液内部结晶产生的中间相具有完全无序的取向，并且会扰乱钙钛矿相由气液界面向下生长的过程，从而导致薄膜中晶体取向的无序性。添加MA+可以提高PbI2的溶解度从而抑制溶液内部中间相的成核，得到取向性高、晶粒大、缺陷少的薄膜。最终通过优化MASCN添加剂的浓度，大幅提高了准二维钙钛矿太阳能电池的Jsc和FF，实现了高达15.2％的PCE。
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