钙钛矿CH3NH3PbX3薄膜的低温原位合成及在杂化薄膜太阳能电池中的应用

摘要

当前太阳能电池器件生产工艺中，存在着诸多问题，比如原材料的生产能耗较高，p-n结制备能耗也居高不下，生产工艺流程复杂等。解决以上能耗问题和工艺问题的一项重要途径就是：利用低温原位制备技术可以获得一种具有较好光电性能的窄带隙材料，并且在低温条件下将其与其它半导体材料杂化构成p-i-n结，进而再组装成具有一定光电转化效率的太阳能电池器件。近年来，钙钛矿薄膜太阳能电池在太阳能电池领域异军突起，短短7年的时间就将效率从3.8％提高到20%以上，引起了人们的广泛关注。文献报道中的制备方法有溶液法、蒸发法、蒸发辅助溶液法、喷涂法等，大部分需要高温、高真空、高能耗。本文利用低温原位合成方法，于大气环境下，在FTO导电玻璃基底表面以单质铅薄膜为前驱体原位制备出钙钛矿 CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3半导体薄膜材料，并对其反应机理进行了探究。该方法具有以下优点，如能耗极低，反应物简单，溶剂可以回收加以重复利用，整个制备过程无毒、绿色环保。本文系统地测试了所制备的钙钛矿半导体薄膜材料的光电性能，结果表明碘化甲胺铅和溴化甲胺铅这两种钙钛矿材料都具有较好的光电响应，且表现出 p型半导体特性。瞬态表面光电压TPV测试结果也证实了相对于文献中报道的两步法，它具有一样长的载流子寿命和一样快的光生载流子迁移率。在成功合成钙钛矿半导体薄膜的基础上，将窄带系半导体材料碘化甲胺铅与n型无机半导体ZnO和p型有机半导体spiro-OMeTAD杂化，设计并组装了以钙钛矿碘化甲胺铅为主要光吸收层的有机-无机杂化薄膜太阳能电池器件，进而探讨了多种影响光电转化效率的因素。最终在以无水乙醇为溶剂的条件下制备出了具有FTO/ZnO/CH3NH3PbI3/spiro-OMeTAD/Au结构的杂化太阳能电池器件并获得了6.44%的光电转化效率。同时也装配出了大面积钙钛矿太阳能电池(≧1.00 cm2)，光电转换效率达到3.00%。在以上基于碘化甲胺铅的薄膜太阳能电池的基础上，本文还成功制备出溴化甲胺铅半导体薄膜材料，系统地探究了各种反应条件对制备的溴化甲胺铅薄膜形貌的影响，并初步探究了具有FTO/ZnO/CH3NH3PbBr3/spiro-OMeTAD/Au结构的钙钛矿薄膜太阳能电池器件的组装，测试了相关性能，获得了0.5%的光电转化效率（AM1.5G）。
　　虽然近三年来有关于钙钛矿太阳能电池的报道层出不穷，但我们目前的研究工作依然有着以下几点创新性：（1）据我们所知，这是首次报道用单质铅作为前驱体来制备钙钛矿太阳能电池，是一种全新的无机反应；（2）整个薄膜制备及器件组装都在室温大气环境中进行，并且具有较高的器件稳定性；（3）这样一种从单质铅开始的原位反应有助于制备大面积且均匀的钙钛矿薄膜。我们已经初步组装了一些电池器件，其中也包括一些大面积的器件(≧1.00 cm2)，并且测试了它们在标准条件下的光电性能(AM1.5,100 mW·cm-2)。
　　我们将以此为指导来设计、组装各种基于钙钛矿的薄膜太阳能电池器件。通过对器件界面微结构的调控及优化来实现此类新型钙钛矿电池器件的光电转换效率的提高。这将对钙钛矿薄膜太阳能电池的光伏性能的提升和理论研究产生一定积极的推动作用。

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第一章 引言

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 本课题的选题意义及取得的进展

第二章 实验涉及的仪器、试剂及表征手段

2.1 实验涉及的仪器设备

2.2 实验所涉及的试剂

2.3 表征测试详细内容

第三章 基于钙钛矿CH3NH3PbI3的薄膜太阳能电池器件

3.1 前言

3.2 旋涂法低温原位合成钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜

3.3 浸泡法低温原位合成钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜及表征

3.4 光电性能测试

3.5 钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜太阳能电池器件的组装、优化及稳定性

3.6本章小结

第四章 钙钛矿CH3NH3PbBr3薄膜的低温原位合成及表征

4.1 前言

4.2 旋涂法低温原位合成钙钛矿CH3NH3PbBr3薄膜及表征

4.3 浸泡法低温原位合成钙钛矿CH3NH3PbBr3薄膜及表征

4.4 光电性能测试

4.5 钙钛矿CH3NH3PbBr3薄膜太阳能电池器件组装及性能测试

4.6 本章小结

第五章 结论和展望

参考文献

硕士期间成果

致谢