钙钛矿太阳能电池的空穴传输层及其界面修饰研究

这是一篇关于钙钛矿太阳能电池,空穴掺杂剂,界面修饰,非掺杂空穴传输材料,光伏性能的论文, 主要内容为钙钛矿太阳能电池(PSCs)因光电转换效率高、制备工艺简单、成本相对低廉等优势引起人们的广泛关注。PSCs器件结构主要包括电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和金属电极。空穴传输层主要作用是收集并传输空穴,同时保护钙钛矿吸光层免受水氧的侵蚀,对PSCs的效率及长期稳定性有着重要的影响。空穴传输层较弱的疏水性以及与钙钛矿层间的界面缺陷,都将导致器件性能下降。因此,开展关于空穴传输层及其界面处的稳定性研究对于制备高效稳定的PSCs具有重要科学意义和价值。本论文对空穴传输层及其界面处存在影响PSCs稳定性的问题进行了系统研究,主要包括开发新型疏水空穴掺杂剂替代吸湿性Li-TFSI/tBP体系、开发非掺杂空穴传输材料替代掺杂型空穴传输材料Spiro-OMeTAD以及在钙钛矿吸光层与空穴传输层之间引入双功能界面修饰材料。具体研究内容与结果如下:(1)通过主-客体配体策略对Li-TFSI进行改性,设计并制备一种新型疏水空穴掺杂剂[Li+(12C4)]TFSI-,并将其用于Spiro-OMeTAD掺杂。研究发现,Li+离子被包裹在冠醚的大环内形成[Li+(12C4)]阳离子,抑制了Li+离子与水氧的相互作用。[Li+(12C4)]TFSI-具有较低的最高占据分子轨道(HOMO)能级,能够诱导Spiro-OMeTAD电荷的自发转移,避免了暴露在空气中的缓慢氧化过程。[Li+(12C4)]TFSI-的直接掺杂以及对钙钛矿表面离子缺陷的钝化作用为器件提供了更高的空穴传输效率。最终,采用[Li+(12C4)]TFSI-作为掺杂剂的PSCs获得了20.71%的效率,优于Li-TFSI/tBP掺杂PSCs的效率(19.46%)。同时,[Li+(12C4)]TFSI-掺杂的PSCs还表现出优异的长期稳定性。基于[Li+(12C4)]TFSI-掺杂的PSCs在老化30天后仍能保留初始效率的92%,而相同老化条件下,Li-TFSI/tBP掺杂的PSCs仅剩余初始效率的54%。(2)开发了一种新型疏水路易斯酸掺杂剂MTS-PF,可替代Li-TFSI/tBP体系用于掺杂PTAA。研究表明,MTS-PF具有路易斯酸性质,可对路易斯碱PTAA实现高效的p型掺杂。此外,光照能促进MTS-PF掺杂PTAA反应的进行,进一步促进PTAA·+自由基的生成。相较于Li-TFSI/tBP掺杂,MTS-PF掺杂的空穴传输层具有更低的HOMO能级以及更出色的空穴传输性能。基于光照处理的MTS-PF掺杂的PSCs获得了21.32%的最佳效率,而基于Li-TFSI/tBP掺杂的PSCs的效率仅有19.45%。同时,基于MTS-PF掺杂的PSCs展现出优秀的长期稳定性,在经过30天老化后仍能保留90%的初始效率。(3)设计并制备了一种双功能界面材料氟化聚合物F-PTAA,可以修饰钙钛矿表面并且促进钙钛矿/PTAA界面的空穴转移。研究表明,F-PTAA的HOMO能级位于钙钛矿的价带和空穴传输层的HOMO能级之间,形成的梯度能级可以更有效地分离、传递空穴,减少载流子损耗,提升器件的开路电压。此外,F-PTAA中的F原子可以作为路易斯碱钝化钙钛矿表面的Pb2+缺陷,抑制载流子的非辐射复合。最终,基于F-PTAA修饰的PSCs(20.44%)获得了比未经F-PTAA修饰的PSCs(18.15%)更高的效率,并表现出更优秀的长期稳定性。经过30天老化后,F-PTAA修饰的PSCs仍能保留初始效率的85%。(4)设计并制备了两种含有富硫单元DTF的三苯胺(TPA)类非掺杂空穴传输材料WH-2和WH-3。研究表明,供电子单元DTF的引入增强了TPA的给电子能力以及分子间的相互作用,有利于分子的π-π堆积,提高空穴迁移率。最终,基于非掺杂WH-3的PSCs获得了高达19.22%的效率,这与基于Li-TFSI/tBP掺杂Spiro-OMeTAD的PSCs效率相当。由于WH-3无需添加吸湿性的Li-TFSI和挥发性的tBP,因此WH-3薄膜具有比Spiro-OMeTAD薄膜更出色的长期稳定性。基于非掺杂WH-3的PSCs在老化15天后仍保留初始效率的97%,而基于掺杂Spiro-OMeTAD的PSCs在相同老化条件下只剩余87%的初始效率。

钙钛矿光伏自供电气体传感性能与机理研究

这是一篇关于钙钛矿太阳能电池,光伏自供电气体传感器,二维材料,第一性原理计算的论文, 主要内容为钙钛矿光伏自供电气体传感技术可以很好地缓解能源危机和环境问题。而具有优异气敏-光伏性能的材料作为制造传感器件的基础,始终需要通过不断地开发来满足发展需求。利用理论计算方法探索新型钙钛矿材料在光伏自供电系统中的应用,能够避免实验开发的周期性长和结果不确定性等缺点。因此,该工作利用密度泛函理论的第一性原理方法,探索了钙钛矿及其异质结材料在光伏自供电气体传感领域的应用前景。主要研究内容如下:(1)通过微处理技术,集成小型化气体传感器和太阳能电池,是目前光伏自供电领域采取的最普遍措施。开发具有更高效率的太阳能电池是该技术面临的最大挑战。优异的空穴传输层(ETL)可以大幅度提升钙钛矿光伏器件的光电转换效率,使其在自供电领域可以作为良好的供电单元与传感单元进行集成。因此,在本项工作中,通过将二维Janus M2Se X(M=Ge,Sn,以及X=S,Se,Te)材料作为空穴传输层引入CsPbBr3中,探索M2Se X/CsPbBr3层叠结构作为独立的光伏供电单元在自供电传感领域的应用前景。在较大的结合能,优异的II型异质结构以及内建电场的作用下,可以快速的将光生空穴从CsPbBr3中提取并通过Ge2Se S传输层,最终将其输运到顶部电极。优异的吸收光谱确保了光激发的源源不断,同时较大的载流子迁移率,也证明了Ge2Se S作为CsPbBr3钙钛矿吸光层的空穴传输层可以增大光伏器件的光电转换效率。因此,可将该结构用于器件设计并将其作为独立的光伏供电单元与传感单元进行集成。(2)尽管太阳能电池和气体传感器的集成可以在一定程度上满足自供电需求,但无法实现器件小型化和结构简单化。由于异质结构能够实现光伏效应和气体检测两种功能,比独立单元集成化更具有发展前景。因此,开发具有更优异的气敏-光电性能的新型异质结复合材料是非常有必要的。在本项工作中,首先基于第一原理,研究了常见有毒气体(包括CO、H2S、NH3、SO2和NO2)在单层磷化锑(Sb P)上的吸附情况。结果表明,单层Sb P和NO2之间具有高的吸附能和电荷转移,分别为-0.876e V和-0.83e。其次,结合电子性质、从头算分子动力学、恢复时间和应变调控等多种理论方法,进一步证明了单层Sb P在NO2检测领域中的巨大潜力。再次,通过构建异质结,使其在不损失气敏性能的前提下,又具有了良好的光吸收能力。然后,通过能带排列发现在单层Sb P/MAPb I3异质结构中产生了内建电场,其抑制光生载流子复合,进而提高光电转换效率。最后,基于理论分析设计了基于气敏-光伏异质结的自供电器件原理图并分析了工作原理,证明了Sb P/MAPb I3异质结在光伏自供电传感领域的广阔前景。(3)异质结光伏自供电传感技术不仅实现了气敏-光伏功能化,也达成了器件结构微型化。但在材料制备方面,异质结产生的界面缺陷往往会严重影响电学及光学性质。因此,通过单一材料替代异质结可以有效解决此问题。金属卤化物钙钛矿材料的高表面活性和大比表面积为提高气体传感器的灵敏度和选择性创造了有利条件。同时,高光电转换效率使得钙钛矿作为独立元器件可以成为新型自供电气体传感领域的最佳候选者。因此,分别从气敏和光伏的角度全面探索了CsPbBr3在该领域存在的巨大潜力。首先,基于第一性原理计算和非平衡格林函数,研究了几种挥发性有机化合物,包括C2H6、CH4、CH3OH、CH3CHO和CH2O,在Cs Pb X3(X=Cl、Br和I)表面的吸附机理。结果表明,CsPbBr3对CH2O分子具有良好的气敏性能。其次,电流-电压(I-V)曲线表明,CH2O在CsPbBr3表面吸附后的电荷输运性能具有明显的响应。再次,良好的机械响应使吸附过程可逆,并为柔性装置提供了可能性。然后,良好的吸收光谱为CsPbBr3在光伏自供电传感器中的应用奠定了基础。最后,通过能级排列设计了基于CsPbBr3的自供电传感器件原理图。因此,具有优异气敏-光伏性能以及可微型化的CsPbBr3钙钛矿材料有望成为具有高灵敏度和高选择性的甲醛自供电气体传感器的候选者。

钙钛矿光伏自供电气体传感性能与机理研究

这是一篇关于钙钛矿太阳能电池,光伏自供电气体传感器,二维材料,第一性原理计算的论文, 主要内容为钙钛矿光伏自供电气体传感技术可以很好地缓解能源危机和环境问题。而具有优异气敏-光伏性能的材料作为制造传感器件的基础,始终需要通过不断地开发来满足发展需求。利用理论计算方法探索新型钙钛矿材料在光伏自供电系统中的应用,能够避免实验开发的周期性长和结果不确定性等缺点。因此,该工作利用密度泛函理论的第一性原理方法,探索了钙钛矿及其异质结材料在光伏自供电气体传感领域的应用前景。主要研究内容如下:(1)通过微处理技术,集成小型化气体传感器和太阳能电池,是目前光伏自供电领域采取的最普遍措施。开发具有更高效率的太阳能电池是该技术面临的最大挑战。优异的空穴传输层(ETL)可以大幅度提升钙钛矿光伏器件的光电转换效率,使其在自供电领域可以作为良好的供电单元与传感单元进行集成。因此,在本项工作中,通过将二维Janus M2Se X(M=Ge,Sn,以及X=S,Se,Te)材料作为空穴传输层引入CsPbBr3中,探索M2Se X/CsPbBr3层叠结构作为独立的光伏供电单元在自供电传感领域的应用前景。在较大的结合能,优异的II型异质结构以及内建电场的作用下,可以快速的将光生空穴从CsPbBr3中提取并通过Ge2Se S传输层,最终将其输运到顶部电极。优异的吸收光谱确保了光激发的源源不断,同时较大的载流子迁移率,也证明了Ge2Se S作为CsPbBr3钙钛矿吸光层的空穴传输层可以增大光伏器件的光电转换效率。因此,可将该结构用于器件设计并将其作为独立的光伏供电单元与传感单元进行集成。(2)尽管太阳能电池和气体传感器的集成可以在一定程度上满足自供电需求,但无法实现器件小型化和结构简单化。由于异质结构能够实现光伏效应和气体检测两种功能,比独立单元集成化更具有发展前景。因此,开发具有更优异的气敏-光电性能的新型异质结复合材料是非常有必要的。在本项工作中,首先基于第一原理,研究了常见有毒气体(包括CO、H2S、NH3、SO2和NO2)在单层磷化锑(Sb P)上的吸附情况。结果表明,单层Sb P和NO2之间具有高的吸附能和电荷转移,分别为-0.876e V和-0.83e。其次,结合电子性质、从头算分子动力学、恢复时间和应变调控等多种理论方法,进一步证明了单层Sb P在NO2检测领域中的巨大潜力。再次,通过构建异质结,使其在不损失气敏性能的前提下,又具有了良好的光吸收能力。然后,通过能带排列发现在单层Sb P/MAPb I3异质结构中产生了内建电场,其抑制光生载流子复合,进而提高光电转换效率。最后,基于理论分析设计了基于气敏-光伏异质结的自供电器件原理图并分析了工作原理,证明了Sb P/MAPb I3异质结在光伏自供电传感领域的广阔前景。(3)异质结光伏自供电传感技术不仅实现了气敏-光伏功能化,也达成了器件结构微型化。但在材料制备方面,异质结产生的界面缺陷往往会严重影响电学及光学性质。因此,通过单一材料替代异质结可以有效解决此问题。金属卤化物钙钛矿材料的高表面活性和大比表面积为提高气体传感器的灵敏度和选择性创造了有利条件。同时,高光电转换效率使得钙钛矿作为独立元器件可以成为新型自供电气体传感领域的最佳候选者。因此,分别从气敏和光伏的角度全面探索了CsPbBr3在该领域存在的巨大潜力。首先,基于第一性原理计算和非平衡格林函数,研究了几种挥发性有机化合物,包括C2H6、CH4、CH3OH、CH3CHO和CH2O,在Cs Pb X3(X=Cl、Br和I)表面的吸附机理。结果表明,CsPbBr3对CH2O分子具有良好的气敏性能。其次,电流-电压(I-V)曲线表明,CH2O在CsPbBr3表面吸附后的电荷输运性能具有明显的响应。再次,良好的机械响应使吸附过程可逆,并为柔性装置提供了可能性。然后,良好的吸收光谱为CsPbBr3在光伏自供电传感器中的应用奠定了基础。最后,通过能级排列设计了基于CsPbBr3的自供电传感器件原理图。因此,具有优异气敏-光伏性能以及可微型化的CsPbBr3钙钛矿材料有望成为具有高灵敏度和高选择性的甲醛自供电气体传感器的候选者。

钙钛矿光伏自供电气体传感性能与机理研究

这是一篇关于钙钛矿太阳能电池,光伏自供电气体传感器,二维材料,第一性原理计算的论文, 主要内容为钙钛矿光伏自供电气体传感技术可以很好地缓解能源危机和环境问题。而具有优异气敏-光伏性能的材料作为制造传感器件的基础,始终需要通过不断地开发来满足发展需求。利用理论计算方法探索新型钙钛矿材料在光伏自供电系统中的应用,能够避免实验开发的周期性长和结果不确定性等缺点。因此,该工作利用密度泛函理论的第一性原理方法,探索了钙钛矿及其异质结材料在光伏自供电气体传感领域的应用前景。主要研究内容如下:(1)通过微处理技术,集成小型化气体传感器和太阳能电池,是目前光伏自供电领域采取的最普遍措施。开发具有更高效率的太阳能电池是该技术面临的最大挑战。优异的空穴传输层(ETL)可以大幅度提升钙钛矿光伏器件的光电转换效率,使其在自供电领域可以作为良好的供电单元与传感单元进行集成。因此,在本项工作中,通过将二维Janus M2Se X(M=Ge,Sn,以及X=S,Se,Te)材料作为空穴传输层引入CsPbBr3中,探索M2Se X/CsPbBr3层叠结构作为独立的光伏供电单元在自供电传感领域的应用前景。在较大的结合能,优异的II型异质结构以及内建电场的作用下,可以快速的将光生空穴从CsPbBr3中提取并通过Ge2Se S传输层,最终将其输运到顶部电极。优异的吸收光谱确保了光激发的源源不断,同时较大的载流子迁移率,也证明了Ge2Se S作为CsPbBr3钙钛矿吸光层的空穴传输层可以增大光伏器件的光电转换效率。因此,可将该结构用于器件设计并将其作为独立的光伏供电单元与传感单元进行集成。(2)尽管太阳能电池和气体传感器的集成可以在一定程度上满足自供电需求,但无法实现器件小型化和结构简单化。由于异质结构能够实现光伏效应和气体检测两种功能,比独立单元集成化更具有发展前景。因此,开发具有更优异的气敏-光电性能的新型异质结复合材料是非常有必要的。在本项工作中,首先基于第一原理,研究了常见有毒气体(包括CO、H2S、NH3、SO2和NO2)在单层磷化锑(Sb P)上的吸附情况。结果表明,单层Sb P和NO2之间具有高的吸附能和电荷转移,分别为-0.876e V和-0.83e。其次,结合电子性质、从头算分子动力学、恢复时间和应变调控等多种理论方法,进一步证明了单层Sb P在NO2检测领域中的巨大潜力。再次,通过构建异质结,使其在不损失气敏性能的前提下,又具有了良好的光吸收能力。然后,通过能带排列发现在单层Sb P/MAPb I3异质结构中产生了内建电场,其抑制光生载流子复合,进而提高光电转换效率。最后,基于理论分析设计了基于气敏-光伏异质结的自供电器件原理图并分析了工作原理,证明了Sb P/MAPb I3异质结在光伏自供电传感领域的广阔前景。(3)异质结光伏自供电传感技术不仅实现了气敏-光伏功能化,也达成了器件结构微型化。但在材料制备方面,异质结产生的界面缺陷往往会严重影响电学及光学性质。因此,通过单一材料替代异质结可以有效解决此问题。金属卤化物钙钛矿材料的高表面活性和大比表面积为提高气体传感器的灵敏度和选择性创造了有利条件。同时,高光电转换效率使得钙钛矿作为独立元器件可以成为新型自供电气体传感领域的最佳候选者。因此,分别从气敏和光伏的角度全面探索了CsPbBr3在该领域存在的巨大潜力。首先,基于第一性原理计算和非平衡格林函数,研究了几种挥发性有机化合物,包括C2H6、CH4、CH3OH、CH3CHO和CH2O,在Cs Pb X3(X=Cl、Br和I)表面的吸附机理。结果表明,CsPbBr3对CH2O分子具有良好的气敏性能。其次,电流-电压(I-V)曲线表明,CH2O在CsPbBr3表面吸附后的电荷输运性能具有明显的响应。再次,良好的机械响应使吸附过程可逆,并为柔性装置提供了可能性。然后,良好的吸收光谱为CsPbBr3在光伏自供电传感器中的应用奠定了基础。最后,通过能级排列设计了基于CsPbBr3的自供电传感器件原理图。因此,具有优异气敏-光伏性能以及可微型化的CsPbBr3钙钛矿材料有望成为具有高灵敏度和高选择性的甲醛自供电气体传感器的候选者。

钙钛矿太阳能电池的空穴传输层及其界面修饰研究

这是一篇关于钙钛矿太阳能电池,空穴掺杂剂,界面修饰,非掺杂空穴传输材料,光伏性能的论文, 主要内容为钙钛矿太阳能电池(PSCs)因光电转换效率高、制备工艺简单、成本相对低廉等优势引起人们的广泛关注。PSCs器件结构主要包括电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和金属电极。空穴传输层主要作用是收集并传输空穴,同时保护钙钛矿吸光层免受水氧的侵蚀,对PSCs的效率及长期稳定性有着重要的影响。空穴传输层较弱的疏水性以及与钙钛矿层间的界面缺陷,都将导致器件性能下降。因此,开展关于空穴传输层及其界面处的稳定性研究对于制备高效稳定的PSCs具有重要科学意义和价值。本论文对空穴传输层及其界面处存在影响PSCs稳定性的问题进行了系统研究,主要包括开发新型疏水空穴掺杂剂替代吸湿性Li-TFSI/tBP体系、开发非掺杂空穴传输材料替代掺杂型空穴传输材料Spiro-OMeTAD以及在钙钛矿吸光层与空穴传输层之间引入双功能界面修饰材料。具体研究内容与结果如下:(1)通过主-客体配体策略对Li-TFSI进行改性,设计并制备一种新型疏水空穴掺杂剂[Li+(12C4)]TFSI-,并将其用于Spiro-OMeTAD掺杂。研究发现,Li+离子被包裹在冠醚的大环内形成[Li+(12C4)]阳离子,抑制了Li+离子与水氧的相互作用。[Li+(12C4)]TFSI-具有较低的最高占据分子轨道(HOMO)能级,能够诱导Spiro-OMeTAD电荷的自发转移,避免了暴露在空气中的缓慢氧化过程。[Li+(12C4)]TFSI-的直接掺杂以及对钙钛矿表面离子缺陷的钝化作用为器件提供了更高的空穴传输效率。最终,采用[Li+(12C4)]TFSI-作为掺杂剂的PSCs获得了20.71%的效率,优于Li-TFSI/tBP掺杂PSCs的效率(19.46%)。同时,[Li+(12C4)]TFSI-掺杂的PSCs还表现出优异的长期稳定性。基于[Li+(12C4)]TFSI-掺杂的PSCs在老化30天后仍能保留初始效率的92%,而相同老化条件下,Li-TFSI/tBP掺杂的PSCs仅剩余初始效率的54%。(2)开发了一种新型疏水路易斯酸掺杂剂MTS-PF,可替代Li-TFSI/tBP体系用于掺杂PTAA。研究表明,MTS-PF具有路易斯酸性质,可对路易斯碱PTAA实现高效的p型掺杂。此外,光照能促进MTS-PF掺杂PTAA反应的进行,进一步促进PTAA·+自由基的生成。相较于Li-TFSI/tBP掺杂,MTS-PF掺杂的空穴传输层具有更低的HOMO能级以及更出色的空穴传输性能。基于光照处理的MTS-PF掺杂的PSCs获得了21.32%的最佳效率,而基于Li-TFSI/tBP掺杂的PSCs的效率仅有19.45%。同时,基于MTS-PF掺杂的PSCs展现出优秀的长期稳定性,在经过30天老化后仍能保留90%的初始效率。(3)设计并制备了一种双功能界面材料氟化聚合物F-PTAA,可以修饰钙钛矿表面并且促进钙钛矿/PTAA界面的空穴转移。研究表明,F-PTAA的HOMO能级位于钙钛矿的价带和空穴传输层的HOMO能级之间,形成的梯度能级可以更有效地分离、传递空穴,减少载流子损耗,提升器件的开路电压。此外,F-PTAA中的F原子可以作为路易斯碱钝化钙钛矿表面的Pb2+缺陷,抑制载流子的非辐射复合。最终,基于F-PTAA修饰的PSCs(20.44%)获得了比未经F-PTAA修饰的PSCs(18.15%)更高的效率,并表现出更优秀的长期稳定性。经过30天老化后,F-PTAA修饰的PSCs仍能保留初始效率的85%。(4)设计并制备了两种含有富硫单元DTF的三苯胺(TPA)类非掺杂空穴传输材料WH-2和WH-3。研究表明,供电子单元DTF的引入增强了TPA的给电子能力以及分子间的相互作用,有利于分子的π-π堆积,提高空穴迁移率。最终,基于非掺杂WH-3的PSCs获得了高达19.22%的效率,这与基于Li-TFSI/tBP掺杂Spiro-OMeTAD的PSCs效率相当。由于WH-3无需添加吸湿性的Li-TFSI和挥发性的tBP,因此WH-3薄膜具有比Spiro-OMeTAD薄膜更出色的长期稳定性。基于非掺杂WH-3的PSCs在老化15天后仍保留初始效率的97%,而基于掺杂Spiro-OMeTAD的PSCs在相同老化条件下只剩余87%的初始效率。