【摘 要】
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全无机卤化物钙钛矿材料CsPbX3(X=Cl,Br,I)具有优异的光电转换特性。相比于有机-无机杂化卤化物钙钛矿材料,其相稳定性更好,在光电探测器、发光二极管和太阳电池等器件研究领域中的应用潜力巨大,成为近年来研究的热点材料之一。其中,CsPbI2Br的物相及结构稳定性相对较好,其禁带宽度为1.9eV,可见光光吸收谱覆盖的波长范围较宽,且具有双极性输运特性,有利于光生载流子的迁移,除单结太阳电池外
【基金项目】
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国家重点研发计划(2018YFA0209303); 国家自然科学基金(61377051,U1663228,51902153,51972165);
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全无机卤化物钙钛矿材料CsPbX3(X=Cl,Br,I)具有优异的光电转换特性。相比于有机-无机杂化卤化物钙钛矿材料,其相稳定性更好,在光电探测器、发光二极管和太阳电池等器件研究领域中的应用潜力巨大,成为近年来研究的热点材料之一。其中,CsPbI2Br的物相及结构稳定性相对较好,其禁带宽度为1.9eV,可见光光吸收谱覆盖的波长范围较宽,且具有双极性输运特性,有利于光生载流子的迁移,除单结太阳电池外还可应用于多结太阳电池。此外,CsPbI2Br具有特殊的可逆相变特性与透光度可调的特点,可应用于光伏智能窗,为其提供了在汽车、建筑物等光伏一体化领域的潜在应用。在太阳电池应用中,CsPbI2Br薄膜作为光吸收层,其质量的优劣直接影响到太阳电池器件效率等性能的高低。为了制备出高质量的CsPbI2Br薄膜,研究者们尝试了一步溶液旋涂法(简称一步法)、多步溶液沉积法、双源共蒸发法和CsPbI2Br纳米晶堆积法等一系列有效的薄膜制备方法。其中一步法是最简便的低成本方法,受到研究者们的偏爱和重视。然而,常规一步法制备的CsPbI2Br薄膜通常结晶性不佳,薄膜厚度偏薄且孔洞较多,不利于光生载流子传输,一般用其组装的太阳电池效率等性能不理想。本文引入了同质盖板法改进一步法以制备高质量的CsPbI2Br薄膜。同质盖板法主要是在一步法的退火过程中,在CsPbI2Br前驱膜上方面对面加盖一个同质盖板,退火过程结束后移除。X射线衍射(X-Ray Diffraction,XRD)测试结果表明此处理不引入其他杂相,获得的薄膜为纯α相的CsPbI2Br薄膜,且薄膜结晶性明显提高。同时,扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)和稳态光致发光(Photoluminescence,PL)测试结果表明,相对于直接退火制备的薄膜,引入同质盖板退火步骤制备的CsPbI2Br薄膜均匀致密无孔洞,晶粒尺寸较大,晶界与缺陷较少,薄膜质量得到明显提升,有利于光生载流子的迁移。紫外可见吸收光谱(Ultraviolet-visible spectroscopy,UV-vis)测试结果表明CsPbI2Br薄膜作为光吸收层,其光吸收能力也得到相应提高。我们将使用两种方法制备的CsPbI2Br薄膜应用于结构为掺氟氧化锡导电衬底(FTO)/Ti O2致密层(compact Ti O2,c-Ti O2)/CsPbI2Br/Carbon的无空穴传输层的全无机钙钛矿太阳电池中,使用同质盖板法制得的CsPbI2Br薄膜组装的太阳电池的短路电流密度、开路电压与填充因子均有明显提升,最优电池的各性能分别为13.3m A/cm2、1.14V和73.86%。最优电池的效率是未使用同质盖板法制得的CsPbI2Br薄膜组装的太阳电池效率(4.36%)的两倍多,达到了11.24%。并且,我们做了30组太阳电池效率对比统计,证明了同质盖板法具有良好的可重复性。在此基础上,我们注意到前驱液使用的溶剂二甲基亚砜(Dimethyl Sulfoxide,DMSO)有着较强的配位作用,在前驱膜中留存过多不利于CsPbI2Br薄膜结晶。于是,我们进一步将同质盖板法与两步退火法结合,使DMSO在第一步低温加热过程中挥发一部分,再引入同质盖板法进一步提高了CsPbI2Br薄膜质量。经原子力显微镜(Atomic force microscopy,AFM)与SEM测试发现,结合两种方法制备的薄膜粗糙度均方根为19.53nm,晶粒尺寸约为500nm,比只使用两步退火法制得的薄膜更平整,晶粒更大。以此薄膜组装的CsPbI2Br钙钛矿太阳电池的光电转化效率(Photoelectric Conversion Efficiency,PCE)也进一步提高到12.82%。本工作为制备高质量的CsPbI2Br薄膜提供了一种行之有效的改进方法,为其他全无机钙钛矿薄膜的制备提供了一定的参考。
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