摘要
经过近十年的快速发展，有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSCs）的光电转换效率已达到 25.8%，其可柔性化的特点使得柔性钙钛矿太阳能电池（f-PSCs）受到广泛关注。然而，钙钛矿薄膜界面处的缺陷限制了器件光电性能的提升，此外，多晶薄膜的晶界固有的脆性也阻碍了器件机械稳定性的提升。因此，研发一种可同时兼顾器件性能与机械稳定性的策略对f-PSCs商业化具有重要的意义。利用钙钛矿表面化学反应在3D钙钛矿表面构筑2D钙钛矿，形成2D/3D结构策略是提升PSCs性能的常用手段之一。然而，由于表面反应的复杂，通过控制2D层的生长以提高薄膜光电性能和机械强度的方法十分困难。本论文选取了一系列X-溴苄铵盐以形成2D钙钛矿，利用分子的不同极性于钙钛矿薄膜之间的选择性反应以及环境水分对2D钙钛矿形貌的影响，制备了具有理想机械强度的跨晶界形貌，获得了比传统策略更好的薄膜缺陷特性和能级特性，提升了器件的光电转换效率和机械稳定性。本文具体研究内容如下： （1）通过调控分子极性，考察了X-溴苄铵盐和3D钙钛矿/碘化铅之间的选择性反应，同时，研究了 2D 钙钛矿制备环境中的水分对最终薄膜形貌的影响。4-溴苄铵碘倾向于和钙钛矿薄膜晶界处的碘化铅反应，且水分参与反应后2D钙钛矿沿晶界向四周延伸，最终得到了理想的跨晶界形貌。通过原位表征分析总结了2D钙钛矿生长过程中详细的反应与形貌变化，并证明了由极性与水分主导的 2D/3D 策略对不同钙钛矿薄膜的普适性。 （2）通过对2D/3D薄膜的光电性能进行表征，研究了不同有机铵盐对缺陷的钝化效果以及2D/3D薄膜内部的能级结构。基于4-溴苄铵碘的2D钙钛矿薄膜具有良好的缺陷钝化效果，且形成的PN异质结产生了内建电场，有利于载流子传输，减少非辐射复合。通过对f-PSCs进行光伏特性测试，验证了2D/3D策略对电池光电转换效率的提升效果。优化工艺条件，最终制备了22.1%的高效率柔性器件。 （3）采用原子力显微镜 Peak Force-QNM 技术对 2D/3D 薄膜的机械特性进行表征。依据2D/3D薄膜高度图像和弹性模量图像推测基于 4-溴苄铵碘的薄膜能够提高 f-PSCs机械稳定性。通过循环弯曲/拉伸实验过程中光伏参数的变化和薄膜表面形貌的变化验证了上述推测。基于4-溴苄铵碘的f-PSCs在8000次弯曲循环后光电转换效率仍能保持初始值的80%。
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