优化配位溶剂抑制相分离

3. 优化配位溶剂抑制相分离

3.1 研究背景

3.1.1 钙钛矿薄膜的光电特性

• 钙钛矿薄膜因其卓越的光电特性而广泛应用于光伏领域，特别是在钙钛矿太阳能电池中的应用尤为突出。
• 近年来，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率显著提高，已达到26.1%的认证水平。
• 钙钛矿薄膜的制备过程中的重要环节是如何获得合适的前驱体溶液，这对控制成核和晶体生长，进而影响薄膜形态和器件性能至关重要。

3.1.2 溶剂体系对钙钛矿薄膜的影响

• 钙钛矿前驱体溶液的研究主要集中在如何通过溶液工程来控制成核和晶体生长。
• 选择合适的溶剂体系，实现溶液法制备钙钛矿大面积均匀成膜，从而提高了钙钛矿太阳电池的效率和稳定性。
• 整体而言，对钙钛矿前驱体溶液的研究主要是为了更好地了解和控制钙钛矿薄膜的形成过程，从而使钙钛矿薄膜的质量和性能得到更好的提高。

3.2 结果与讨论

3.2.1 前驱体溶液中的相分离

• 前驱体溶液是含有钙钛矿材料的化学成分溶液，通常由钙钛矿材料的原料和适当的溶剂混合而成。
• 在前驱体溶液中，常用的溶剂包括甲基铵铅碘（MAI）和乙二醇单甲醚（MEOH），这两种溶剂不仅可以作为溶剂帮助溶解钙钛矿元素，还可以与其他化学物质反应帮助提高溶液的稳定性和钙钛矿薄膜的质量。
• 然而，这些溶剂的使用也会导致一些问题，例如在纯MEOH中，MAI会导致溶液中铅碘分布不均匀，从而影响钙钛矿薄膜的性能。

3.2.2 用氧化代替溶剂

• 针对以上问题，本文提出一种优化前驱体溶液组分的方法来抑制制备钙钛矿薄膜过程中会出现的相分离现象。
• 在前驱体溶液是二元溶液溶剂体系的情况下，选择乙二醇单甲醚（MEOH）为主溶剂，甲基吡咯烷酮（NMP）为参考对照溶剂，用配位溶剂氧化（O2）替换为副溶剂。
• 研究表明，O2不仅具备一定的氧化性，能够促进向和和的转变，而且还能抑制的电离，使得过剩。这种过剩的促使与之间直接发生相互作用，有助于实现晶体的原位生长。

3.2.3 配位溶剂结晶调控钙钛矿膜

• 为了进一步证明配位溶剂对分离的影响，使用了和制取钙钛矿薄膜。
• 在这一节中，开尔文探针显微镜和导电原子力得到了利用，对由和制成的刮刀涂布钙钛矿薄膜进行了研究。
• 研究表明，配位溶剂的使用可以促进钙钛矿晶体的生成，改善钙钛矿单晶的品质，而黄色的沉淀物则不会被观察到。

3.2.4 含钙钛矿荧光表征成分偏析

• 图3.6（a 和 d）显示了通过荧光寿命成像显微镜确定的薄膜光致发光强度的空间分布，突出表明的结晶并不均匀。
• 图3.6（b 和 e）显示了光浸泡10分钟后薄膜光致发光（PL）强度的变化。和 的荧光强度都有所提高，这可归因于光清洁过程，即空位被间隙离子补充。
• 这一事实证明中的成分偏析受到了抑制。完整的晶格结构，使得离子迁移通道被有效阻断。

3.2.5 器件效率及稳定性表征

• 在相对湿度（RH）为 40% 的环境条件下，通过刮刀涂布法制作的钙钛矿薄膜最终 被集成到 n-i-p 结构的器件中，其结构为 ITO/PTAA/MHP/C60/BCP/Ag。
• 图 3.7 （a）显示了具有最高效率的器件的电流密度-电压 (J-V) 曲线。基于 D-MHP 的钙钛矿太阳电池器件（D-PSC）的功率转换效率 PCE 为18.8%，开路电压 VOC=1.039 V，JSC=22.21 mA/cm2，FF=81.47%；而基于 o-MHP 的钙钛矿太阳电池器件（o-PSC）的功率转换效率（PCE）为 22.22%。
• 经过 370 小时的老化，D-PSC 仅保留了其初始效率的 21%，而 o-PSC 在经过 500 小时以上的老化后，仍然保留其初始效率的 82%。

3.3 本章小结

3.3 本章小结

• 在本章的研究中，作为主要的研究对象，我们深入探讨了溶剂对于钙钛矿组成元素分离的影响。
• 研究发现，无论溶剂的配位能力如何，都无法完全避免在钙钛矿晶体生长过程中出现的与反应的不平衡，这会导致分离的现象。
• 为此，在方案中引入了作为一种新的配位溶剂。不仅具备一定的氧化性，能够促进向和的转变，而且还能抑制的电离，使得过剩。
• 这种过剩的促使与之间直接发生相互作用，有助于实现晶体的原位生长。通过这种方式，巧妙地实现了与间的氢键以及与的配位之间的平衡，从源头上保障了钙钛矿的原位合成及晶体的外延生长，有效消除了分离的问题。
• 利用法制备出的钙钛矿薄膜展现了更为完整的晶格结构，并且成功抑制了因分布不均而引起的离子迁移现象。
• 这种方法明显降低了缺陷密度，加快了光电响应速度，使制备的钙钛矿太阳能电池器件的光电转换效率提高到22%以上，对电池器件的光电转换效率提高到接近24%。
• 这一成果展示了在提升钙钛矿太阳能电池性能方面的潜力，同时也突显了在太阳能电池领域的应用价值和其在未来光伏技术中的重要角色。

3.4 未来展望

3.4 未来展望

• 虽然本研究在优化钙钛矿前驱体溶液方面取得了一定的进展，但仍然存在一些挑战和问题需要进一步研究和解决。
• 例如，如何进一步提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和稳定性，以及如何实现钙钛矿薄膜的大规模生产和应用。
• 未来，随着研究的不断深入和发展，我们期待能在钙钛矿前驱体溶液的研究中取得更多的突破，为钙钛矿太阳能电池的发展和应用提供更多的可能性。