钙钛矿电池光伏测试系统设计及效率提升研究

摘要

钙钛矿太阳能电池使用卤素类钙钛矿材料CH3NH3PbX3（X=I，Br，Cl）作为光吸收层，吸引了越来越多的研究人员关注。这类材料具有高吸光系数，高载流子迁移率，长载流子传输距离，成本低廉以及可全溶液过程制备的多种优点。自2009年首次被Miyasaka等人提出，经过短短的7年时间目前世界上最高的认证效率已经达到了22％。替换钙钛矿太阳能电池器件价格高昂的空穴传输层材料，寻求新的界面层制备技术以获得更加良好的界面接触，控制钙钛矿薄膜形貌以及结晶性是目前钙钛矿太阳能电池中的研究热点，同时为了能更加方便的对新提出的器件材料和结构进行迅速判定，全方位多角度，快速稳定自动化的光电转换性能参数测试系统也必不可少。基于以上研究现状，本论文主要开展了以下工作：
　　（1）采用虚拟仪器技术设计了一套完整的适用于小型钙钛矿光伏器件的光伏特性测试系统。本文基于虚拟仪器技术使用IEEE-488接口为数据传输总线，将工控机，太阳光模拟器，可通信数字源表结合在一起组成了一套具有通信机制稳定，传输距离长（线缆长度可至20m），带宽大等优点的硬件系统。随后，使用2014版LabVIEW语言编写了三套与硬件配合且具有不同测试目的的测试系统。其中J-V曲线正向扫描程序用来快速测试器件的光电转换性能，按照固定时间间隔步进偏压，对器件性能进行快速初步判断。J-V曲线循环扫描程序用来对器件的详细光伏性能进行完整彻底的评价。通过步进正负变换的外加偏压来从各种负载条件下测试器件做功的稳定性，并通过比较正向扫描和反向扫描曲线来衡量器件是否出现钙钛矿光伏器件中常见的迟滞现象。时间/电流记录程序用以对器件进行恒定偏压测试记录下器件在其最大输出功率Pmax条件下持续做工情况，并根据所得结果即时测试光电转换效率用以与J-V曲线测试程序所得结果进行比较，可以进一步证明转换效率数值的可靠性。
　　（2）本文提出了一套适用于实验室的基础型单基板钙钛矿器件组装流程，包括合成与提纯碘化钾胺，设计透明电极表面刻蚀方案，设计器件结构，器件封装等工序。按照钙钛矿器件常用的经典结构ITO/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PC71BM/Al最终组装出了基础型单基板钙钛矿光伏器件，经J-V曲线测试器件效率达到了6%。
　　（3）光伏器件基底担负着承载钙钛矿吸光层，结合透明电极，提供三维厚度，隔绝载流子复合，保持器件稳定性的多种功能。以单基板器件组装流程为基础对介观器件进行研究，提出了复合碳对电极，完成了介观钙钛矿电池器件的组装。之后引入连续沉积法优化CH3NH3PbI3吸光层，有效提升了电池器件的短路电流。同时，本研究比对了在连续沉积法中作为前驱体溶剂的四种有机溶剂对电池器件效率的影响，得到了DMF为最佳前驱体溶剂的可靠结论。之后将具有三维空间结构的TiO2纳米棒引入器件结构中作为介观器件骨架层补充层，并在不同反应条件下合成出了不同长度的TiO2纳米棒基底。通过优化后得到最高器件效率达到了9.54%。之后对不同长度基底器件的形貌进行了分析并探讨了纳米棒长度对器件效率的影响，为以后的纳米棒基底应用研究指明了方向。
　　（4）本研究在平面异质结结构的钙钛矿光伏器件中引入了一种全新的金属氧化物材料—氧化钒作为器件基底。通过熔体淬火的方法合成出了适用于旋涂法成膜工艺的VOx溶胶并确定了X对应数值约为2.428。我们通过透射光谱和功函数测试表征了不同退火温度得到的VOx氧化层，使用稳态荧光光谱测试证明VOx在作为空穴传输材料方面具有PEDOT：PSS无法比拟的优越特性。我们对不同的VOx氧化层性质进行了表征并得出了适用于器件组装的最优旋涂转速。为了解决前人发现的CH3NH3PbI3材料难以在VOx氧化层上形成高覆盖率的问题，我们提出了一种全新的复合溶剂方法来提高CH3NH3PbI3旋涂液中溶质的过饱和度，缩短结晶过程时间，并使用溶剂诱导结晶的办法进一步提高了结晶速率。为了进一步提高CH3NH3PbI3吸光层的质量，我们从溶剂诱导结晶过程中出现的CH3NH3PbI3中间相入手，在这一工艺之后创新的引入了DMF氛围内退火的方法，经过DMF氛围退火的基片经过测试证明其中CH3NH3PbI3吸光层有着比直接退火的基片更少的针孔，更平整的表面形貌以及更加均一的晶粒尺度。最终，基于以上创新，论证和优化后，我们组装出了光转换效率高达14%的平面异质结钙钛矿型光伏器件。同时我们使用第二章设计的测试程序对器件的迟滞效应进行分析，发现器件性能稳定，同时也使用时间/电流测试程序进一步证实了效率参数的精确性。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 太阳能电池发展现状

1.3 钙钛矿型太阳能电池

1.4 实验室太阳能电池的表征方式

1.5 本论文研究思路和主要内容

2 小型钙钛矿光伏器件测试系统设计

2.1 光伏组件测试系统简介

2.2 虚拟仪器测量技术

2.3 测试系统设计与实现

2.4 本章小结

3 单基板钙钛矿光伏器件的组装

3.1 单基板光伏器件组装

3.2 实验部分

3.3 测试与表征

3.4 测试与表征

3.5 本章小结

4 二氧化钛纳米棒型器件基底应用研究

4.1 二氧化钛纳米棒型器件结构设计

4.2 实验方法

4.3 器件中其他结构分析

4.4 TiO2纳米棒型基底层对器件性能影响

4.5 本章小结

5 氧化矾型器件基底应用研究

5.1 氧化钒型器件结构设计

5.2 实验部分

5.3 氧化钒基底特性表征

5.4 碘铅甲胺层表征与分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 全文研究内容总结

6.2 研究内容展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录