摘要
钙钛矿太阳能电池(PSCs)由于其具有较高功率转换效率(PCE)、简单的制造流程和低生产成本而备受关注。在十余年的发展时间里，其认证的功率转换效率已经达到了25.73%，可以与目前主流的晶体硅太阳能电池相媲美。然而，钙钛矿太阳能电池的长期稳定性仍然是阻碍其进一步工业化发展的重要因素。 在通常的钙钛矿材料中，由于含有易挥发的甲胺离子(MA+)而极易分解，导致钙钛矿太阳能电池稳定性变差。甲脒铯铅碘FAxCs1–xPbI3(0＜x＜1)因其结构中不包括甲胺离子而具有较强的热稳定性，同时，由于少量的Cs+抑制了FAPbI3从具有光敏活性的α-相向无光敏活性的δ-相的转变而表现出优异的光电性能。然而，高质量的FAxCs1–xPbI3钙钛矿薄膜却难以获得，因为混合阳离子的快速聚集使得成核和晶体生长难以控制，极易形成表面粗糙、晶粒尺寸小和缺陷密度高的薄膜。鉴于此，本论文通过添加剂及组分工程调控FACs体系钙钛矿晶体的成核结晶过程，提高光敏活性层薄膜的质量，优化钙钛矿太阳能电池的光伏性能与稳定性。同时，本论文还创新性地给出了铅泄漏问题的解决方案，利用组分工程策略有效的降低Pb2+的泄露，为钙钛矿太阳能电池的商业化应用提供了全方位参考。本论文的主要研究内容如下： （1）将阻燃剂磷菲(DOPO)引入钙钛矿前驱体溶液中，调节钙钛矿结晶过程的同时钝化薄膜缺陷。由于磷菲和Pb2+之间的强配位和分子间相互作用，钙钛矿膜的结晶度和稳定性大大提高。工作面积为0.255cm2的FA0.85Cs0.15PbI3钙钛矿太阳能电池的性能显著提高，效率从17.95%提高到21.13%，基本消除了迟滞现象。这种使用多功能分子的添加剂策略已显示出钙钛矿太阳能电池具有高效稳定的实际应用前景。 （2）引入乙二胺四亚甲基磷酸盐(EDTMP)作为前驱体溶液掺杂剂，以提高钙钛矿太阳能电池的稳定性与效率，并在恶劣天气下形成Pb2+泄漏防护屏障。由于EDTMP与钙钛矿分子之间的多重相互作用，添加EDTMP可以作为钙钛矿薄膜的晶体生长控制剂和钝化剂，从而减缓薄膜的结晶速度，获得高质量的钙钛矿薄膜。同时，本论文深入了解掺杂改性剂对调整界面能级排列以及光致激发下的电荷传输和电荷复合的影响。最后，有效面积为0.255cm2的FA0.85Cs0.15PbI3钙钛矿太阳能电池的转换效率从19.28%提高到了22.36%。同时，有效面积为19.32cm2的5×5cm组件也获得了19.16%的最佳转换效率。此外，未封装的EDTMP修饰的钙钛矿太阳能电池表现出更好的空气稳定性和热稳定性。更为重要地，由于EDTMP在水溶液中能够与Pb2+具有强耦合作用，其可以充当金属螯合剂，因此制备器件表现出优异的铅离子原位吸收能力。 （3）除了对钙钛矿光活性层本身进行一系列优化策略以外，光活性层和电荷传输层之间界面处高质量的电荷转移也是器件性能与稳定提升的关键。界面处的各种缺陷和能垒会导致电荷转移过程中电荷载流子的非辐射复合，不利于电荷收集，最终阻碍转换效率和稳定性的提高。本论文研究了一种双界面修饰策略，通过使用不同的膦酸分子分别修饰SnO2层和钙钛矿层之间的界面，以及钙钛矿层和空穴传输层之间的界面。在沉积钙钛矿层之前，采用具有抗紫外线性能的酸性二苯基氯化亚膦酸盐(DPC)对SnO2表面进行改性，以减轻SnO2中的OH-对钙钛矿薄膜的腐蚀，调节钙钛矿晶体的生长过程。可与Pb2+配位的甲基二苯基氧化膦(MPO)用于钙钛矿薄膜表面的后处理，以钝化薄膜表面和晶界处的缺陷。通过光致发光光谱和电学测量综合研究了有机界面改性剂对电荷传输和电荷复合的影响。有效面积为0.255cm2的最佳FA0.85Cs0.15PbI3器件获得了23.37%的转换效率。此外，工作面积为1cm2的器件获得了20.29%的最佳转换效率。更有趣的是，由于DPC强大的紫外光吸收能力，经过双界面修饰的最终器件在空气中1000h后仍能保持初始效率的91.4%，在AM1.5G光下放置500h后仍能保持87.8%的效率。
NETL