经过十多年的发展,有机一无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)已经获得了惊人的能量转化效率(PCE)。然而,有机.无机杂化PSCs在实际运行过程中表现出较差的热稳定性和紫外光稳定性,严重影响了有机-无机杂化PSCs的实际应用。最近,全无机CsPbX3(X=I,Br,Cl)钙钛矿因其出色的热稳定性和紫外光稳定性而受到广大科研工作者的关注。其中,CsPbhBr钙钛矿具有合适禁带宽度(1.92eV),且在室温条件下能保持稳定的光学黑相,是一种极具应用前景的钙钛矿电池光活性层材料。但是,目前所制备的CsPbI2BrPSCs性能与有机一无机杂化PSCs的性能相比仍然具有一定的差距。CsPbI2Br较差的成膜质量引起的严重载流子非辐射复合,以及CsPbI2Br与传输层之间因能级不匹配所导致的能量损失都极大地限制了全无机CsPbI2Br PSCs效率的提升。此外,CsPbI2Br中的缺陷和本身的湿度不耐受性影响了PSCs的稳定性,制约了相关器件的实际应用。因此,针对全无机CsPbI2Br PSCs中存在的问题,本文首先对电子传输层(ETL)/CsPbI2Br界面进行调控,提升了CsPbI2Br的成膜质量;同时,对CsPbI2Br/空穴传输层(HTL)界面进行缺陷钝化调控,实现了CsPbl2Br的缺陷钝化,进一步提升了CsPbI2Br的薄膜质量。在此基础之上,通过CsPbI2B/HTL界面能级调控策略有效降低了器件中因CsPbI2Br与HTL能级不匹配导致的能量损失。最终,实现了高质量CsPbI2Br薄膜的可控制备、薄膜缺陷的有效钝化和界面能级的精准调控,获得了高效稳定的CsPbI2Br PSCs。本文具体工作内容包括以下几个方面: (1)首先,为了提高CsPbI2Br钙钛矿的成膜质量,本文采用有机小分子2,2′-(乙二氧基)二乙胺(EDEA)对ETL进行修饰。实验结果表明,EDEA界面调控层的引入明显改善了CsPbI2Br溶液在ETL上的浸润性,大幅提升了CsPbI2Br薄膜的结晶度和结晶取向,进而增大了CsPI2hBr晶粒尺寸,显著减少了由低质量成膜诱导的界面缺陷。同时,得益于EDEA中的胺基官能团与钙钛矿中未配位Pb2+的强结合作用,CsPbI2Br中的晶格缺陷进一步减少。薄膜质量调控和缺陷钝化的协同作用显著提升了CsPbI2Br器件的电荷传输效率。基于EDEA界面调控层对缺陷引起的非辐射复合的抑制,CsPbI2Br PSCs的PCE从12.9%提升到了15.1%。缺陷密度的降低同时延缓了CsPbI2Br的分解,提升了CsPbI2Br PSCs的稳定性。 (2)在PSCs中,光生载流子的有效传输对于提升器件的性能是至关重要的。而利用溶液法制备的多晶CsPbI2Br会在表面处形成多种缺陷,由此产生的大量非辐射复合中心严重阻碍了载流子的有效传输,从而限制PSCs的性能提升。鉴于此,本文在EDEA修饰的基础之上,将苯基丁基碘化铵(PBAI)薄膜构建在CsPbhBr表面,借助PBAI中游离的I-对CsPbl2Br中大量卤素空位的填补作用,增强了钙钛矿表界面缺陷的钝化效果,进一步提升了CsPbI2Br PSCs的性能,获得了16.63%的PCE和明显提高的器件湿度/热稳定性。 (3)目前,为了获得较高PCE的CsPbI2Br PSCs,通常选用具有良好光电性能的2,2′,7′,7--四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9′-螺二芴(Spiro-OMeTAD)作为器件的HTL。然而,CsPbI2Br的价带(VB)与Spiro-OMeTAD的最高占据分子轨道(HOMO)之间存在很大的能级差,所构筑的CsPbI2Br/HTL界面具有较大肖特基势垒,造成CsPbhBr器件中很大的能量损失,制约了器件效率的提升。此外,Spiro.OMeTAD中的双三氟甲磺酰亚胺锂(Li-TFSI)具有强吸湿性,易引起水汽在CsPbl2Br器件中的扩散,导致CsPbI2Br的分解和CsPbI2BrPSCs性能的快速衰减。基于此,本文设计了基于叔丁基的多功能咔唑基取代苯腈材料(4t-5CzBn),并将其作为界面层嵌入CsPbI2Br层与Spiro-OMeTAD层之间。实验结果表明,叔丁基的引入可有效调控多咔唑基取代苯腈材料的HOMO能级,同时有效提升材料的疏水性。该界面层的引入构建了等梯度的界面能级结构,降低了器件中因CsPbI2Br/HTL界面能级差而产生的能量损失,将器件的开路电压(Voc)提升至1.335V,并获得了17.34%的PCE,达到了国际领先水平。此外,强疏水的4t-5CzBn界面调控层阻挡了环境空气中水汽的侵入,大幅提升了器件的储存稳定性。在经过720h老化测试后,未修饰器件近乎失效,而4t-5CzBn修饰的器件仍保持超过75%的初始效率,显示出了4t-5CzBn对于器件储存寿命的有效增益。 总之,本文针对CsPbI2BrPScs中表界面缺陷较多、电荷传输效率有限、界面能量损耗较高和薄膜稳定性较差的问题,发展了界面浸润性调控、表界面缺陷钝化和界面能级结构调控的方法,协同抑制器件中的载流子非辐射复合,并促进电荷传输,获得了PCE和稳定性显著提升的CsPbI2Br PSCs,为钙钛矿光电器件中的形貌调控和界面修饰提供了实验借鉴和理论指导。