气体辅助双源蒸发法制备钙钛矿太阳能电池材料

摘要

以钙钛矿型有机铅碘化合物为吸光材料的薄膜太阳能电池,是继染料敏化、量子点敏化之后的又一基于纳TiO2的新型太阳能电池.目前有机铅碘化合物的主流材料是甲胺铅碘(CH3NH3PbI3),在液态敏化电池和基于空穴传输材料的固态薄膜电池中均表现出优异的光电转换效率,同时钙钛矿晶体材料也具备良好的电子和空穴传输性能,这为制备钙钛矿型平面异质结太阳能电池提供了基础,光电转化效率在近5年内从3.8％迅速提高到18％以上,高于非晶硅太阳电池效率,被Science评选为2013年十大科学突破之一.在这里，以CH3NH3I和PbI2为蒸发源，以Ar气为辅助气体制备CH3NH3PbI3太阳能电池薄膜。探讨了不同的蒸发温度，载气流量比和沉积气压对生长的钙钛矿薄膜的结构特性的影响，寻求可控的高质量钙钛矿结构CH3NH3PbI3薄膜的生长条件。并对优化条件下生长的钙钛矿薄膜CH3NH3PbI3的微观结构，光吸收和发光特性进行了分析。结果表明双源蒸发法制备CH3NH3PbI3的关键在于控制CH3NH3I的浓度、温度和载气量，否则很容易造成生长薄膜中PbI2过量，较低的蒸发温度和较高的CH3NH3I载气浓度均有利于CH3NH3PbI3相的生长。而光学吸收谱的测量结果则表明生长的CH3NH3PbI3的光学带隙为I.SSev，略高于晶体钙钛矿的带隙((1.SeV )，这可能与小尺寸钙钛矿粒子导致的带隙展宽有关。光致发光谱表现为一峰值为795nm (1.56eV)的窄带发光，这与吸收谱测量的带隙比较吻合，除此之外690nm附近有一个对应于PbI2的若发光峰，其发光强度随薄膜中PbI2成分的增加而变大，这可能与PbI2和CH3NH3PbI3共同作用的结果。这些结果将为在硅基太阳能电池的产线基础上发展钙钛矿电池或者发展硅-钙钛矿串联复合结构电池提供可行性论据并未进一步优化钙钛矿的质量控制提供参考。