碱金属掺杂二维钙钛矿薄膜的可控制备及在太阳能电池中的性能研究

Due to the large degree of freedom in chemistry and quantum mechanics, two-dimensional (2D) perovskite materials exhibit tunable optoelectronic properties, while at the same time, they are expected to be the ideal material for high performance and stable perovskite solar cells finally, because of their good environmental stability and other advantages compared to the three-dimensional (3D) perovskite. However, 2D perovskite has poor photovoltaic performance, which is a bottleneck problem for the successful application of perovskite solar cells..To this end, alkali metals (Li, Na, K, Ru, Cs) will be doped to the material as a new material modification design strategy, and on the basis of adjusting the bandgap, the grain size of the 2D plane is increased to reduce the trap state density for achieving high efficiency and high stability of the solar cell. Firstly, the first principle is introduced to calculate the structure and photoelectric properties of doped 2D perovskite, and the stable configuration, band structure, density of states, Bader charge and absorption spectrum characteristics are analyzed; the optimal doping ratio of alkali metal is explained from the combination of theory and experiment, and the modification mechanism of doping is revealed. The prepared composite perovskite film is applied to solar cells in order to improve its photoelectric conversion efficiency and stability, which is important theoretical value and guiding significance for the innovative development of perovskite solar cells.

得益于在化学和量子力学方面大的自由度，二维（2D）钙钛矿材料展示可调控的光电性能，同时，相比于三维（3D）钙钛矿，其良好的环境稳定性等优点，有望成为高性能稳定钙钛矿太阳能电池的终极理想材料。然而，2D钙钛矿光伏性能差，是钙钛矿太阳能电池成功应用的瓶颈难题。为此，本项目提出碱金属（Li、Na、K、Ru、Cs）掺杂的材料改性设计新策略，在调整其禁带宽度基础上，增加2D平面的晶粒尺寸来降低陷阱态密度，从而实现电池的高效率、高稳定。首先，利用第一性原理计算掺杂2D钙钛矿的结构和光电特性，通过分析稳定构型、能带结构、态密度、Bader电荷和吸收光谱特性，从理论和实验相结合的角度阐释碱金属掺杂的最优掺杂比、揭示其掺杂改性机理。进一步将制备的复合钙钛矿薄膜应用于太阳能电池中，以期提高其光电转化效率和稳定性，这对钙钛矿太阳能电池的创新发展具有重要的理论价值和指导意义。

本项目以二维钙钛矿(BA)2MA3Pb4I13 为基础，采用碱金属元素（Li、Na、K、Cs）对其进行掺杂改性，研究了其对二维钙钛矿薄膜性能的影响及作用机制。简单易操作的液相法制备出碱金属修饰的准二维钙钛矿，通过优化不同的掺杂浓度，得出碱金属的掺杂量对钙钛矿性能的影响都有一个最优掺杂量。研究发现，碱金属的引入，提高了钙钛矿薄膜的成膜质量，他们存在于晶体的间隙中，与钙钛矿晶体有一个强烈的相互作用，导致了薄膜中缺陷数量的减少。理论计算结果表明，碱金属的存在使得钙钛矿薄膜的禁带宽度减小，平滑了能带结构，有利于器件性能的提高。差分电荷密度计算结果显示，两者的电荷密度差别并不大，这说明碱金属的引入没有形成新的键。态密度的模拟计算表明，碱金属修饰后两者赝能隙的差别不大，说明体系成键的共价性基本一致，这也从侧面反应了没有形成新的键。广角X射线衍射测试显示，掺杂后薄膜的衍射环增强，碱金属的引入增强了薄膜的结晶性。掺杂后钙钛矿薄膜组装成的电池的光电转化效率有了较大的提高，效率提升幅度在30%以上。碱金属掺杂后组装成器件的湿度稳定性得到了极大的提高，在湿度35%的存储条件下，30天后仍能保初始效率的90%以上。器件的热稳定性也得到了提升，在85℃的室内环境下，器件的热稳定性得到了明显的提升。本项目通过简单的液相法将碱金属修饰准二维钙钛矿，使得器件的转化效率和稳定性都得到了显著的提高，证明了碱金属在二维钙钛矿中也能提高其光电性能，这为钙钛矿太阳能电池的后续研究提供了一种思路。