基于有机无机杂化钙钛矿太阳能电池稳定性的研究

摘要

近年来，以有机金属卤化物为吸光材料的有机无机杂化钙钛矿太阳能电池（Organic-Inorganic Hybrid Perovskite Solar Cells,HPVSs）成为目前新一代太阳能电池研究的重要方向。随着溶剂工程、元素掺杂、界面处理和新型空穴传输材料等一系列技术的开发应用，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率（Power Conversion Efficiency,PCE）在短短十年的时间内就提升到了23.7%，接近单晶硅的光电转化效率。但是，钙钛矿材料对光照、热，尤其是水，特别敏感，长时光照、高温和较高湿度，都会引起钙钛矿材料的分解，从而影响器件性能，也限制了钙钛矿太阳能电池的实际应用，阻碍了其工业化和产业化进程。为制备得到高效稳定的钙钛矿太阳能电池器件，本论文分别从结构优化和改进钙钛矿薄膜制备工艺两个方面进行研究。 通过在钙钛矿器件的空穴传输层（Hole-Transport Layer,HTL）中掺杂还原氧化石墨烯（Reduced Graphene Oxide,rGO）提高器件的效率及稳定性。利用石墨烯及其衍生物材料比表面积大、电性能优良等优点，在钙钛矿太阳能电池空穴传输层（Hole-Transport Layer,HTL）中掺杂一定比例的还原氧化石墨烯，提高HTL的载流子输运性能，提高器件效率；同时，rGO可以通过对锂离子的吸附抑制锂离子在空穴传输层中的迁移，通过阻挡锂离子迁移至空穴传输层（HTL）表面而吸水来保护器件，降低水分子引起的材料降解，提高器件的稳定性。 通过采用溴化甲胺滴旋处理的方法优化钙钛矿电池薄膜的制备工艺，实现了在低温条件下制备具有大晶粒表面平整的钙钛矿薄膜。即采用滴旋的方法，即将部分阳离子混合碘化铅制备前驱体溶液旋涂，在旋涂过程中滴加另一部分阳离子溶液的工艺，实现了低温制备，钙钛矿晶粒尺寸明显增大，表面较为平整连续；相比于传统的两步滴涂法工艺，基于该工艺制备的钙钛矿太阳能电池的效率从17.6%提高到了19.2%，并且转换效率在400小时内没有下降，稳定性得到提高。 本论文针对钙钛矿材料的优缺点、太阳能电池的器件结构和实际应用需求，分别从结构优化和改进钙钛矿薄膜制备工艺两个方面进行研究，均有效提高了钙钛矿太阳能电池的光电转换效率，改善了器件的稳定性，有助于拓展钙钛矿太阳能电池的应用领域，为钙钛矿太阳能电池研究提供新方向，进一步推进钙钛矿太阳能电池的工业化和产业化。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2有机无机杂化钙钛矿太阳能电池

1.2.1钙钛矿晶体结构

1.2.2有机无机杂化钙钛矿光伏材料

1.2.3有机无机杂化钙钛矿太阳能电池工作原理

1.2.4有机无机杂化钙钛矿电池的性能参数

1.2.5钙钛矿太阳能电池器件结构

1.3钙钛矿太阳能电池的发展及主要技术瓶颈

1.3.1钙钛矿太阳能电池的发展

1.3.2钙钛矿太阳能电池主要技术瓶颈及面临的主要问题

1.4选题依据、主要研究内容及创新点

1.4.1选题背景

1.4.2国内外关于钙钛矿太阳能电池稳定性的研究现状

1.4.3本文特色和创新点

第二章 有机无机杂化钙钛矿太阳能电池制备与表征

2.1有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的制备

2.1.1 制备方法

2.1.2 实验主要药品、试剂与仪器

2.1.3 电池制备流程

2.2薄膜样品和钙钛矿太阳能电池器件的测试与表征

2.2.1薄膜样品的测试与表征

2.2.2钙钛矿太阳能电池器件性能的测试

2.2.3钙钛矿太阳能电池稳定性性能的测试

第三章 空穴传输层引入还原氧化石墨烯改善稳定性

3.1引言

3.2 实验流程

3.2.1实验药品、试剂

3.2.2电池器件制备流程

3.3结果与讨论

3.3.1还原氧化石墨烯制备及形貌

3.3.2 掺杂到空穴传输层后石墨烯的形貌

3.3.3还原氧化石墨烯材料的微孔防水性能

3.3.4 引入空穴传输层中石墨烯对锂盐的作用

3.3.5 电池器件性能分析

3.4 本章小结

第四章 新型旋滴法低温制备改善器件稳定性

4.1引言

4.2 实验流程

4.2.1 实验药品、试剂

4.2.2 电池器件制备流程

4.3结果与讨论

4.3.1 工艺流程分析

4.3.2 不同比例阳离子前驱体溶液的影响

4.3.3 不同温度下的晶体形貌分析

4.3.4 随着温度变化晶体生长过程分析

4.3.5 随着温度变化薄膜的状态变化分析

4.3.6 电池器件性能分析

4.4 本章小结

第五章 工作总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作意义

5.3 局限性及前景展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果