摘要
钙钛矿太阳能电池的功率转换效率（PCE）从2009年的3.8%迅速增长到现今的26%。在此发展历程中，空穴传输材料（HTM）Spiro-OMeTAD在提升器件性能上功不可没。而由于Spiro-OMeTAD是有机半导体，其本身导电性和载流子提取能力尚有优化的空间。因此，本工作聚焦于Spiro-OMeTAD空穴传输层（HTL）性能的优化。工作的研究思路是在Spiro-OMeTAD体系中掺入另一种p型HTM—Cs2SnI6，以达到优化其导电性和载流子提取能力的目的。Cs2SnI6具备优异的载流子传输性能、非铅特性和高稳定性等特点，然而其在具体物理性质上有着不同的报道，进而影响了具体的应用。基于此，本工作探究了Cs2SnI6的物理化学性质，然后制备了p型Cs2SnI6粉末并应用于Spiro-OMeTADHTL的掺杂优化。具体研究内容总结如下： 本工作首先对Cs2SnI6的物理化学性质进行了探究。通过加入氢碘酸和组分调控的方法制备了相对均匀Cs2SnI6薄膜，同时发现了纯相Cs2SnI6为n型半导体，在湿度为40%-60%空气中老化40天后仍稳定存在。通过使用一步溶液法，Cs2SnI6粉末被成功制备。研究发现Cs2SnI6的光学带隙为1.26eV，热分解温度为300℃，表明其具备优异的热稳定性。而后发现随着合成配比中SnI4比例的过量，所制备的Cs2SnI6粉末从n型向p型半导体逐渐转变，但是其带隙保持为1.26eV不变。为探究p/n半导体特性转变的原因，本工作随后在富I和富Sn环境下制备得到p型Cs2SnI6粉末，验证了是过量的SnI4形成富I和富Sn的化学环境，导致相关缺陷的变化，使得所制备的Cs2SnI6粉末从n型向p型转变。本工作还通过第一性原理计算了Cs2SnI6的能带结构。其中，计算得到的材料能带位置与实验结果基本一致，计算结果还表明残余的SnI4并不影响Cs2SnI6的带边电子结构，解释了为何SnI4的过量掺杂不会引起材料的禁带宽度变化。 其次，本工作使用p型Cs2SnI6粉末对Spiro-OMeTADHTL进行了掺杂优化。p型Cs2SnI6粉末的掺入增强了HTL的导电性，提升了HTL的载流子提取能力并降低器件内部的缺陷态密度。所制备的掺杂器件相对于未掺杂器件的光伏性能得到明显提升，最高PCE从20%提升到21.4%。同时p型Cs2SnI6粉末的掺入增强了HTL表面的疏水性，进而提升掺杂后器件的空气稳定性，其在空气中老化1512h后仍保持初始PCE的93%。
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