基于两步法的大面积钙钛矿太阳能电池的制备与研究

摘要

随着经济的快速发展，能源危机和环境问题变得突出，世界各国对清洁的可再生能源的需求不断增加，能源供应结构正发生根本性变化。太阳能作为能源领域的方向之一，光伏技术成为当下太阳能利用的研究热点。近几年发展起来的有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池具有高效率、工艺简单和低成本的特点，正成为该领域的一颗明日之星。本文研究了钙钛矿太阳能电池的制备工艺。在此基础上，制备了基于柔性和刚性基板的大尺寸钙钛矿太阳能电池。同时，对大尺寸器件的稳定性进行了研究，并提出了一种解决方案来提高器件的稳定性。主要研究内容与结论如下。 首先，采用混合蒸发/旋涂法来制备钙钛矿电池的活性层。研究了PbI2蒸发速率对钙钛矿薄膜的影响，发现20?/s的超快PbI2蒸发速率有利于碘化铅转化为钙钛矿薄膜。通过优化速率，制备了无孔洞的高质量钙钛矿薄膜。经过优化后，器件的光电转换效率达到了14.88%，并且没有迟滞现象。 其次，通过上述制备工艺，大尺寸无孔洞的钙钛矿薄膜在5cm×5cm的柔性基板上成功制备。基于上述高质量的钙钛矿薄膜，1.2cm2和16cm2尺寸的光电转换效率分别达到了12.75%和8.3%。对大尺寸的柔性器件进行机械弯折测试，研究了弯折的破坏因素。然后，钙钛矿器件的基板面积进一步扩大到10cm×10cm。采用这种体积膨胀的制备工艺，将0.16cm2的器件放大到大尺寸的钙钛矿电池组件，实现了高达13.98%的电池组件认证效率，且小尺寸到大尺寸的电池效率损耗仅为8%。 研究还发现大尺寸组件中，当使用金电极时，组件效率在存放16天后，其效率就衰减为初始效率的38%，与小尺寸器件40天存放仍保持90%效率相比表现出较大区别。而使用铜电极的电池组件效率在存放30天后保留初始效率的90%，器件稳定性得到了大幅提升。我们认为组件中才会出现的热斑效应是主要影响因素。本文以“热斑”的表征方法来研究电池组件的稳定性。热斑效应的研究揭示了铜电极与金电极相比可以降低热斑数量和由于热斑效应造成的温度升高的程度。其原因在于：尽管金和铜都扩散到Spiro-OMeTAD层，但金仍以金属形式存在，这可能会加剧器件中的不受控电子复合，加速其在使用过程中的损毁。而铜会被氧化，形成导空穴半导体材料CuI，不会大幅度改变器件原有电子复合情况。本研究也因此发现一些在小尺寸器件中长期使用的稳定材料体系和器件结构并不一定适用于电池组件，为钙钛矿太阳能电池的实用化过程中的问题解决提供了一个新的思路。

目录

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.1.1太阳能与太阳能电池

1.1.2 太阳能电池的发展

1.2新型钙钛矿太阳能电池

1.2.1钙钛矿太阳能电池研究进展

1.2.2钙钛矿特征

1.2.3 钙钛矿太阳能电池的制备工艺

1.3太阳能电池的性能特征

1.3.1 太阳光的光谱

1.3.2 太阳能电池的光生电流-光电压特性曲线

1.3.3 量子效率测试

1.4本论文的研究思路以及研究内容

第2章 蒸镀/溶液两步法钙钛矿太阳能电池的制备

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1实验药品与实验仪器

2.2.2钙钛矿器件的组装

2.2.3 钙钛矿层的制备工艺

2.3电子层材料

2.3.1 不同电子层材料的迟滞

2.3.2 扫描速率与迟滞因子

2.3.3 不同电子层迟滞现象的解释

2.4 薄膜的微观形貌表征

2.4.1 C60的SEM图

2.4.2 PbI2薄膜的表征

2.4.3 钙钛矿层的微观结构

2.5玻璃基板器件的性能测试

2.6 柔性钙钛矿太阳能电池

2.7混合离子钙钛矿太阳能电池

2.8本章小结

第3章 大尺寸钙钛矿太阳能电池组件的制备

3.1引言

3.2实验药品和仪器

3.3钙钛矿电池组件的组装

3.4 5 cm×5 cm柔性钙钛矿组件

3.4.1 柔性钙钛矿器件结构的表征

3.4.2柔性组件的性能测试

3.4.3 柔性钙钛矿器件的弯折测试

3.5 10 cm×10 cm玻璃基板电池组件测试与表征

3.5.1 钙钛矿器件的光电性能

3.5.2 电池组件的电致发光测试

3.5.3 半透明电池组件的制备与测试

3.5.4 混合离子钙钛矿电池组件的光电性能

3.6本章小结

第4章 钙钛矿电池组件的稳定性研究

4.1引言

4.2实验仪器

4.3钙钛矿器件的稳定性

4.3.1 金电极的器件稳定性

4.3.2金电极的光照稳定性

4.3.3 铜电极的器件稳定性

4.4电极稳定性的分析

4.4.1 热斑效应

4.4.2热斑效应的分析

4.5酞菁铜为空穴层的稳定性

4.6本章小结

第5章 背接触式结构器件的设计

5.1引言

5.2实验部分

5.3背接触结构组件的制备

5.4本章小结

第6章 结论与展望

6.1全文研究内容与总结

6.2研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果