摘要
随着“碳达峰”和“碳中和”政策落实，新能源技术受到了广泛的关注。太阳能作为一类重要的清洁能源，在实现绿色能源中扮演重要的角色。钙钛矿太阳能电池作为光伏器件领域的新星，其器件光电转换效率从2009年3.9%快速增至当前的25.5%，在光伏领域具有广阔的应用前景。尽管钙钛矿太阳能电池器件效率有了较高的突破，但其稳定性一直是限制其产业化发展的主要因素。因此，如何实现高效率和高稳定性钙钛矿太阳能电池器件是目前亟待解决的关键科学与技术问题。本论文针对这一难点问题，围绕钙钛矿薄膜缺陷钝化和器件界面修饰两方面开展相关研究工作，通过采用界面钝化、界面修饰以及引入界面缓冲层实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池器件。本论文的主要研究内容和创新性成果如下： （1）基于PC61BM梯度式钝化钙钛矿薄膜实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池器件。通过采用PC61BM溶液萃取一步工艺制备钙钛矿薄膜/电子传输层，同时实现PC61BM在钙钛矿薄膜中梯度式掺杂钝化。研究表明采用低浓度的PC61BM溶液制备的电子传输层呈不连续性，直接导致器件的短路电流和填充因子降低，而当采用高浓度的PC61BM溶液制备的电子传输层则呈全覆盖且均匀连续。基于MAPbI3-xClx组分和Rb0.05Cs0.05FA0.75MA0.15PbI2.85Br0.15组分分别实现17.45%和21.48%的电池器件效率。基于PC61BM梯度式钝化方法，未封装器件在空气下放置60天，其器件性能仍能保持初始效率的91%，表现出良好的器件稳定性。 （2）基于二维/三维（2D/3D）钙钛矿异质结实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池器件。通过采用低浓度的MAI/PEAI溶液表面后处理钙钛矿薄膜，实现2D/3D钙钛矿异质结的制备。同时，通过添加适量的DMF极性溶剂实现2D钙钛矿自上而下的扩散钝化，有效地抑制薄膜缺陷态和载流子的非辐射性复合。采用GIWAXS表征证明了2D/3D钙钛矿异质结的形成，通过改变GIWAXS的入射角度进一步分析2D钙钛矿纵向扩散分布。此外，基于PEDOT:PSS和NiOx空穴传输层制备反型钙钛矿太阳能电池，分别实现了18.56%和22.18%的高效率，并实现了0.84的超高填充因子和1.12V的高开路电压。基于这一界面钝化处理，未封装的2D/3D钙钛矿异质结器件放置在空气中1000小时，其仍能保持初始效率的95%，展现出优异的器件稳定性，且这一器件性能指标属于同期反型钙钛矿电池器件的最高效率。 （3）基于氟化分子界面钝化和表面活性剂掺杂PC61BM协同作用实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池器件。通过采用氟化分子CF3-PEABr表面后处理钙钛矿薄膜，在钙钛矿薄膜表面形成低维钙钛矿，有效地抑制钙钛矿薄膜表面晶界缺陷，同时-CF3基团显著地提升钙钛矿薄膜的疏水特性从而提高薄膜的稳定性。由于钙钛矿表面的疏水特性，导致电子传输层PC61BM成膜不连续，器件性能衰退明显。因此，本文创新性采用了表面活性剂TritonX-100掺杂PC61BM克服钙钛矿薄膜的界面疏水问题，且有效地改善电子传输层的连续性，从而实现了21.94%的高器件效率和1.15V的高开路电压。此外，基于氟化分子钝化和表面活性剂协同作用，未封装的器件在空气中放置1000小时，其器件性能仍能保持初始效率的98%，表现出出色的器件稳定性。这一器件指标也达到了国际先进水平。 （4）基于梯度式分步退火和MoO3缓冲层实现了高效稳定的全无机钙钛矿CsPbI2Br太阳能电池器件。由于有机无机杂化钙钛矿材料较差的热稳定性，严重制约其器件的进一步发展，而全无机钙钛矿表现出良好的薄膜和器件热稳定性。本文采用梯度式分步退火，有效地控制极性溶剂DMSO的挥发速率和薄膜结晶速度，从而减少钙钛矿薄膜的缺陷态，提高钙钛矿薄膜的结晶质量。同时在Spiro-OMeTAD和Ag电极之间引入MoO3缓冲层，进一步抑制了器件界面电荷的非辐射性复合，进而提升器件稳定性。基于梯度式退火和MoO3缓冲层实现14.18%的高器件效率，1.12V的开路电压以及0.82的超高填充因子。未封装的器件在氮气下放置60天仍能保持初始效率的89%，表现出良好的器件存储稳定性和热稳定性，且这一器件效率指标属于同期国际一流水平。 （5）基于深紫外处理SnO2电子传输层实现高效稳定的全无机钙钛矿CsPbI2Br太阳能电池器件。采用深紫外处理改善了SnO2薄膜的表面特性，有效地减小了SnO2薄膜表面粗糙度，提高其表面亲水性和导电性，同时在其表面产生大量的羟基基团，从而改善了SnO2薄膜/钙钛矿薄膜的界面接触且降低SnO2薄膜表面功函，进一步提高钙钛矿的薄膜质量和能级匹配，从而实现15.36%的高器件效率和1.23V高开路电压。此外，未封装的器件在氮气下放置30天仍能保持初始效率的96%，表现出良好的器件稳定性和热稳定性，且这一器件效率仅次于同期CsPbI2Br器件国际最高指标16.1%。
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