摘要
N-i-p平面钙钛矿太阳电池(PSC)凭借其简单的制备工艺、较低的加工温度、卓越的光电转化效率(PCE)和多样化的光伏应用而受到广泛关注，并显示出巨大的商业转化前景和研究价值。然而，由于n-i-p平面PSC的钙钛矿顶、底界面载流子提取、迁移与收集行为不匹配，导致严重的光伏性能损失及滞后现象。此外，由于电荷传输材料本身载流子浓度和迁移率限制，导致界面载流子积累与复合问题仍然存在。因此，本文以制备高效、稳定n-i-p平面PSC为研究目标，结合添加剂工程与界面工程，在钙钛矿结晶过程中引入具有高载流子迁移率及可调带隙的二维(2D)硫化钨纳米片(WS2NS)，构建一种具有良好成膜质量和电学性能的新型改性吸光层，大幅提高钙钛矿与空穴传输层(HTL)界面的载流子提取/传输/收集速率，有效平衡钙钛矿顶、底界面的电荷传输动力学；随后，利用连续溶液旋涂技术可控制备具有优异电学性能和界面质量的WS2NS改性二氧化锡(SnO2)电子传输层(ETL)，利用WS2NS的高功函数(WF)促进电子向SnO2快速转移，从而有效抑制界面载流子积累与复合，最终实现电池填充因子(FF)和开路电压(VOC)的同步提升。通过多种先进测试与表征手段，阐明WS2NS改性钙钛矿顶、底界面对钙钛矿结晶动力学、光生载流子提取/传输/复合行为及电池光伏输出参数的协同机制。主要研究内容如下： (1)针对钙钛矿顶、底界面载流子提取/迁移/收集行为不匹配的问题，本文利用原位生长技术，在钙钛矿结晶过程中将2D WS2NS引入到钙钛矿晶界及上表面，构建出一种高质量的WS2NS改性钙钛矿吸光层。系统研究WS2NS对钙钛矿结晶动力学、缺陷态钝化及异质界面载流子提取/迁移/收集行为的影响机制。研究发现，WS2NS与钙钛矿中未配位的有机阳离子具有较强的配位作用，能够作为钙钛矿的生长模板，有效钝化晶界和表面/界面缺态。同时，位于晶界和表面/界面的WS2NS凭借其较高的电荷迁移率为光生空穴提供了“快速通道”，有效抑制了钙钛矿/HTL界面的载流子的积累与复合，改善了平面PSC的VOC、FF和PCE。此外，WS2NS在钙钛矿生长过程中诱导FA+阳离子取代MA+阳离子而进入到晶格中，拓宽了光谱响应范围，有效提高了n-i-p平面PSC的短路电流密度(JSC)和PCE。本工作为设计和制造高质量的吸光层提供了新的策略，并为获得更高效、稳定且无滞后的平面PSC奠定了基础。 (2)为了突破传统ETL材料载流子浓度和迁移率极限，我们提出利用连续溶液旋涂技术将高WF的WS2NS引入到传统SnO2ETL中，构建一种新型的WS2+SnO2混合ETL。系统研究WS2NS改性ETL对电荷迁移率、能级结构、以及表面亲和能的影响规律，阐明其对钙钛矿结晶动力学、界面电荷提取/传输/收集行为与电池光伏输出参数的协同作用机制。研究发现，WS2NS由于其p型半导体特性，促进了光生电子向SnO2的快速转移，在提高ETL电学特性的同时促进了能级对准，有效抑制了非辐射复合，提高了电池的FF和VOC。此外，WS2NS的S2-离子与钙钛矿中未配位的金属阳离子和卤素阴离子发生强配位作用，显著降低了钙钛矿缺陷态密度，有效增强了材料结构与界面的稳定性，从而显著提升电池光伏输出参数。本文构建的WS2+SnO2混合ETL为突破传统SnO2ETL材料本身的电学限制提供了简单、有效的新策略，为实现更高效、更稳定的n-i-p平面PSC提供可靠的理论和实验参考。
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