有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的制备与稳定性研究

摘要

近几年来，基于有机无机杂化钙钛矿材料CH3NH3PbI3的第三代太阳电池——钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells)备受人们关注，被《Science》评选为2013年十大科学突破之一。得益于其制备成本低，光谱吸收效率高和载流子扩散长度长（＞1μm）等特点，这类电池得到了快速的发展。其光电转换性能（Power conversion efficiency）在短短6年时间内已经达到了22.1％的NREL认证效率。尽管钙钛矿太阳能电池的光电转换性能不断被刷新，钙钛矿薄膜在潮湿空气中制备时易分解和器件不稳定的问题仍旧限制着钙钛矿太阳能电池的发展。
　　本文从提高钙钛矿薄膜和器件的稳定性入手，通过加入过量甲基碘化胺(CH3NH3I，MAI)到钙钛矿前驱体溶液中，抑制薄膜在空气中分解，降低钙钛矿薄膜缺陷;通过使用具有自组装功能的富勒烯材料(PCBDAN)修饰TiO2电子传输层，提高了平面结构的钙钛矿太阳能电池性能，同时抑制器件光电转换效率在持续光照下的衰减;最后，通过使用喷雾热解法制备的NiO取代3，4-乙烯二氧噻吩聚合制备聚（3，4-乙烯二氧噻吩）-聚苯乙烯磺酸(PEDOT∶PSS)作为空穴传输层，制备反型结构钙钛矿太阳能电池，并研究了器件的稳定性。取得的研究结果如下:
　　(1)提出了一种在常规湿度空气条件下(湿度～50％RH)制备高质量的钙钛矿薄膜的办法:通过优化钙钛矿前驱体中甲基碘化胺MAI过量的比例，控制钙钛矿薄膜在空气中加热的时间，得到由均匀晶粒组成且无孔洞的钙钛矿薄膜。通过XRD分析，钙钛矿薄膜在潮湿空气中加热分解的问题得到解决。通过XPS分析，过量MAI可以抑制钙钛矿薄膜中金属铅(Pb0)的出现，同时钙钛矿晶体中的碘铅比(I/Pb)从2.51提高到2.91，更加接近单个钙钛矿晶体中I/Pb成分的比例。通过荧光光谱(PL)和时间分辨荧光光谱(TRPL)测试表明，钙钛矿薄膜的PL强度提升了1倍，载流子寿命(τ)从25.4ns提高到101.8ns。最终，在空气中制备结构为FTO/Compact TiO2/Mesoscopic TiO2/MAPbI/Spiro-oMeTAD/Au的正向支架钙钛矿太阳能电池的性能从14.06％提升到18.23％。
　　(2)以自组装的富勒烯电子传输材料PCBDAN修饰二氧化钛界面，制备结构为FTO/Compact TiO2/PCBDNAN/Perovskite/Spiro-oMeTAD/Au的平面钙钛矿太阳能电池。通过修饰，提高了钙钛矿薄膜的晶粒大小，加快了界面的电子传输，抑制了界面的缺陷对钙钛矿薄膜的催化分解。最终，修饰后的平面钙钛矿太阳能电池的性能从13.64％提高到了16.78％。同时，未封装的器件在7日持续光照后器件性能从低于20％提升到大于70％。
　　(3)用热喷雾制备NiO取代3，4-乙烯二氧噻吩聚合制备聚（3，4-乙烯二氧噻吩）-聚苯乙烯磺酸(PEDOT∶PSS)作为空穴传输层，结合第二章钙钛矿制备的改进方法，组装结构为FTO/NiO/Perovskite/PCBM/Ag的反型结构钙钛矿太阳能电池。最终电池的光电转化效率PCE高达16.34％，并且器件的稳定性大幅度提高。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 有机无机杂化钙钛矿简介

1．2．1 晶体结构

1．2．2 光电特性

1．3 有机无机杂化钙钛矿的制备方法

1．3．1 溶液法

1．3．2 蒸发法

1．4 钙钛矿太阳能电池的结构和工作原理

1．5 影响钙钛矿太阳能电池稳定性的因素和研究现状

1．5．1 水、氧气氛

1．5．2 温度

1．5．3 光照

1．6 本文的研究内容和意义

参考文献

第二章 甲胺过量对空气中制备的钙钛矿太阳能电池性能的影响

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂及仪器

2．2．2 实验方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 甲胺过量对微观形貌和晶体结构的影响

2．3．2 甲胺过量对薄膜载流子寿命的影响

2．3．3 甲胺过量对电池性能的影响

2．3．4 电池迟滞和稳定性分析

2．4 本章小结

参考文献

第三章 富勒烯修饰电子传输层对钙钛矿太阳能电池光稳定性的影响

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂和仪器

3．2．2 实验方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 界面修饰对薄膜的影响

3．3．2 界面修饰对电池性能的影响

3．3．3 界面修饰对器件光照稳定性的影响

3．4 本章小结

参考文献

第四章 反型结构的钙钛矿太阳能电池的制各和稳定性研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂及仪器

4．2．2 实验方法

4．3 实验主要的表征和分析方法

4．3．1 钙钛矿薄膜的晶体结构和光电性质

4．3．2 器件和能带结构

4．3．3 钙钛矿太阳能电池的光电特性和稳定性

4．4 结果与讨论

4．4．1 钙钛矿薄膜的晶体结构光学性能

4．4．2 钙钛矿太阳能电池的性能影响

4．4．3 钙钛矿太阳能电池的稳定性分析

4．5 本章小结

参考文献

第五章 结论

攻读硕士学位期间的主要研究成果

致谢