CH3NH3PbI3钙钛矿材料的制备与光电性能研究

摘要

有机无机杂化钙钛矿材料作为直接带隙半导体，其具有光吸收系数高，电荷扩散距离长，载流子迁移率高等优异性能。其中CH3NH3PbI3钙钛矿材料的带隙在1.5eV左右，可以吸收近红外到紫外范围的太阳光，采用CH3NH3PbI3钙钛矿材料作为光吸收层可以获得性能良好的光电器件。我们基于CH3NH3PbI3钙钛矿材料制备了太阳能电池，并对其制备工艺进行了优化;通过PCBM与CH3NH3PbI3钙钛矿材料共同退火的方法制备了含有介孔PCBM骨架的钙钛矿太阳能电池;采用加热饱和先驱物溶液的方法制备了CH3NH3PbI3钙钛矿单晶，对其性能进行了表征。具体的研究内容集中在以下几个方面:
　　(1)采用PEDOT:PSS或PTAA作为空穴传输层，采用不同浓度的CH3NH3I溶液，以及使用热退火与溶剂退火两种退火方法制备了不同的CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜与电池。发现采用合适浓度的CH3NH3I溶液以及溶剂退火方法可以获得较大的钙钛矿晶粒，提高电池电流密度;采用PTAA作为空穴传输层可以获得更大的开路电压以及更高的电池效率。通过调节溶剂退火时滴加的溶剂的量，在钙钛矿薄膜上旋涂PCBM或者聚苯乙烯溶液以及蒸镀不同厚度的SiO2对电池工艺进行了优化。
　　(2)采用PCBM共退火的方法制备了含有介孔PCBM骨架的CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜，并制备了相应的电池。PCBM共退火形成的钙钛矿薄膜分为上下两层，上层是生长在介孔PCBM骨架中的钙钛矿，下层是比较致密的钙钛矿层。由于薄膜不平整，使用PCBM共退火方法制备的电池存在较大的迟滞。在共退火薄膜上再次旋涂PCBM，降低了薄膜的起伏，介孔PCBM骨架依然存在。采用再次旋涂PCBM的共退火方法制备的电池的迟滞很小，光电转换效率达到了16.1％。
　　(3)采用反溶剂气相辅助结晶法与加热饱和溶液法制备CH3NH3PbI3钙钛矿单晶。采用加热饱和溶液法和种晶生长的方法得到了尺寸大于5mm的钙钛矿单晶。单晶钙钛矿的光吸收边在818nm，而薄膜钙钛矿的光吸收边在775nm左右，单晶钙钛矿可以吸收更大波长范围的入射光。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 有机无机杂化钙钛矿的组成、发展历程与性质

1．2．1 有机无机杂化钙钛矿的组成

1．2．2 有机无机杂化钙钛矿的发展历程

1．2．3 有机无机杂化钙钛矿的性质

1．3 有机无机杂化钙钛矿薄膜的制备方法

1．3．1 一步法

1．3．2 两步法

1．3．3 气相辅助沉积法

1．3．4 室温生长法

1．4 钙钛矿太阳能电池的光电迟滞

1．5 本文的主要研究内容

第二章 CH3NH3PbI3钙钛矿太阳能电池晶粒尺寸与光电性能调控

2．1 引言

2．2 CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜的制备与表征

2．2．1 CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜的制备

2．2．2 CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜的表征

2．2．3 CH3NH3PbI3太阳能电池的制备与表征

2．3 CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜及电池的进一步优化

2．3．1 DMF溶剂退火中DMF量的优化

2．3．2 PCBM作为电子传输层对CH3NH3PbI3电池性能的优化

2．3．3 聚苯乙烯与SiO2取代PCBM作为电子隧穿层

2．4 本章小结

第三章 含有介孔PCBM骨架的CH3NH3PbI3钙钛矿太阳能电池的制备与表征

3．1 引言

3．2 含有介孔PCBM骨架的钙钛矿薄膜的制备与表征

3．2．2 含有介孔PCBM骨架的CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜的形貌表征

3．2．3 PCBM共退火CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜微球组成分析

3．2．4 含有介孔PCBM骨架的钙钛矿薄膜的XRD与PL分析

3．3 含有介孔PCBM骨架的CH3NH3PbI3钙钛矿太阳能电池的制备、表征与优化

3．3．1 含有介孔PCBM骨架的钙钛矿太阳能电池的制备与表征

3．3．2 含有介孔PCBM骨架的钙钛矿太阳能电池的进一步优化

3．4 本章小结

第四章 CH3NH3PbI3钙钛矿单晶材料的制备与性能表征

4．1 引言

4．2 CH3NH3PbI3钙钛矿单晶的制备

4．2．1 采用反溶剂气相辅助结晶法制备钙钛矿单晶

4．2．2 采用加热饱和溶液法制备钙钛矿单晶

4．3 CH3NH3PbI3钙钛矿单晶的表征

4．3．2 CH3NH3PbI3钙钛矿单晶的SEM表征

4．3．3 CH3NH3PbI3钙钛矿单晶的PL谱表征

4．3．4 CH3NH3PbI3钙钛矿单晶的光吸收谱表征

4．4 本章小结

第五章 全文总结

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果