钙钛矿型太阳能电池的稳定性及大面积制备的研究

摘要

随着化石燃料等不可再生能源的不断消耗，人类面临的能源危机日趋重。因此，可再生能源太阳能越来越受到人们的重视。作为第三代太阳能电池，钙钛矿太阳能电池（PSCs）的活性层具有极高的消光系数，较大的载流子扩散长度及双极性载流子传输等性能成为研究热点。实现商业化应用，必须在提高光电转化效率的基础上，逐步提高PSCs在空气中的稳定性，突破器件大面积制备的瓶颈。本论文通过界面调控法制备高效钙钛矿太阳能电池，同时器件的稳定性得到了极大地提高；另外通过喷墨打印法制备出厚度均匀，粗糙度低及微米级钙钛矿晶粒尺寸的钙钛矿薄膜，从而实现了大面积高性能太阳能电池的制备，主要研究内容包括：
　　1.将高聚物聚乙烯亚胺（PEI）溶于二-甲氧基乙醇中旋涂于空穴传输层VOX上，通过对比处理前后钙钛矿前驱体溶液接触角，发现处理前后接触角由30.9°减小为15.1°，界面浸润性得到了提高。制备出的钙钛矿薄膜，通过顶层扫描电镜（SEM）发现，经过PEI处理后的薄膜覆盖率由70％提高到了95%左右；截面SEM表明，处理后的钙钛矿厚度从290 nm提高至320 nm；X射线衍射（XRD）表明，经过PEI处理后，钙钛矿结晶性得到了提高。
　　2.制备器件结构为 FTO/VOX/CH3NH3PbIXCl3-X/PCBM/LiF/Al的太阳能电池，发现由于钙钛矿薄膜厚度提高增加了光的吸收，经过 PEI处理后的器件量子效
　　率得到了提升，J-V曲线发现器件的短路电流密度提高，最高效率达到了14.4%，稳态PL及电化学阻抗进一步证明器件性能的提升。由于PEI的吸水性，将另外一层 PEI薄层至于 PCBM/PEI/LiF/Al，优化后的器件至于自然条件下，经过10天后，器件效率下降不到10%，然而参考器件经过同样的条件，效率下降了90%左右，相关实验表明该界面处理可以大大提高器件在空气中的稳定性。
　　3.选用超浸润介孔二氧化钛作为喷墨打印基底，将PbI2溶于DMF、DMSO及两者的混合液中，配置出质量分数为20%的溶液。通过DMP2831喷墨打印机制备碘化铅薄膜，通过调节打印参数、基板温度及退火时间，主要因为 DMF和DMSO熔点及挥发性不同；由于溶剂挥发速度慢，沸点高，纯DMSO溶液制备的PbI2薄膜表面粗糙度达到200 nm以上。混合溶液制备出的PbI2薄膜平整度较好，后期经过碘甲胺（MAI）处理后发现，形成的钙钛矿薄膜表面粗糙度为30 nm左右，晶粒尺寸达到微米级别。
　　4.通过喷墨打印制备器件结构为FTO/c-TiO2/m-TiO2/CH3NH3PbI3/spiro-OMeTAD/Au的太阳能电池，通过IPCE、J-V曲线表明电池开路电压和短路电流得到了提升，稳态 PL、电化学阻抗也验证了这一点。最终获得最高效率达到了18.12%。打印有效面积为10 cm2的太阳能电池，其效率高达10%以上，是目前报道的喷墨打印制备太阳能电池的最高效率。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 太阳能电池的基础知识

1.3 有机无机杂化钙钛矿太阳能电池

1.4 目前钙钛矿太阳能电池存在的问题

1.5 本文的选题依据和研究内容

2 有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的制备与表征

2.1 引言

2.2 实验部分

3 界面优化获得高效稳定的钙钛矿太阳能电池

3.1 引言

3.2 界面处理材料及器件结构

3.4 器件光电性能测试及分析

3.5 钙钛矿太阳能电池稳定性的提高

3.6 本章小结

4 喷墨打印制备大面积高性能钙钛矿太阳能电池

4.1 引言

4.2 喷墨打印参数的控制

4.3 实验流程及器件结构

4.4 本章小结

5 结论与展望

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果

致谢