连续沉积法制备钙钛矿薄膜研究及在钙钛矿太阳电池中的应用

摘要

人类社会的不断发展给世界带来了能源危机和环境污染两大难题。将地球上最丰富的清洁可再生能源太阳能转化为电能的光伏发电被认为是解决这两大难题的最有效途径之一，而光伏发电的核心为太阳电池。有机/无机杂化铅卤钙钛矿(ABX3，A=CH3NH2、 CH(NH)2; B=Pb; X=Cl，Br,I）材料具有合适的禁带宽度和直接带隙、高的吸光系数、高的电荷迁移率、能同时传输电子和空穴的双极性和长的电子扩散长度等优点而被广泛用作薄膜太阳电池的光活性层，基于有机/无机杂化铅卤钙钛矿材料的钙钛矿太阳电池在短短的七年时间里光电转换效率从3.8％增加到了22.1％，应用前景十分明朗。
　　目前各种制备钙钛矿薄膜的方法都被研发并应用于钙钛矿太阳电池中，其中连续沉积法是最为常用和重要的方法之一。本文从钙钛矿光活性层薄膜的制备方法入手，重点研究了连续沉积法制备钙钛矿薄膜的工艺和机理及其对钙钛矿太阳电池内部电子复合动力学过程及器件光伏性能的影响。
　　在本文中，我们研究了电子传输层的结构和形貌对连续沉积法制备钙钛矿薄膜的影响，并制备了下半部分致密上半部分为介孔的连续的致密介孔TiO2电子传输层，该电子传输层不仅能促进钙钛矿电池内部电子传输，减少电荷复合，还有利于钙钛矿光活性层的沉积和填充。采用连续沉积法制备了基于该电子传输层的介孔钙钛矿太阳电池，其光电转换效率和一致性方面都有了巨大的提高。
　　在连续沉积法制备钙钛矿薄膜的过程中，PbI2薄膜的形貌对钙钛矿薄膜的质量起着决定性的作用。常规方法制备的PbI2薄膜过于致密而且不均匀会导致与MAI反应不充分，生成的钙钛矿薄膜含有大量的PbI2残留而且形貌比较差，严重影响钙钛矿太阳电池的光电性能。通过采用IPAHCl作为添加剂于PbI2的DMF的溶液中制备了原位润湿PbI2纳米片阵列薄膜（HP-PbI2），然后与MAI反应获得了高质量的钙钛矿薄膜。基于HP-PbI2制备的钙钛矿薄膜的介孔钙钛矿太阳电池获得了最高19.2％的光电转化效率，不但其光伏参数的一致性优于常规连续沉积法制备的介孔钙钛矿太阳电池，电池的稳定性也获得非常大的提高。
　　采用连续沉积法制备的钙钛矿薄膜经常会由于PbI2与CH3NH3I(MAI)反应不充分而产生大量的PbI2残留。我们研究了PbI2残留对于钙钛矿太阳电池光伏性能产生的不利影响，详细分析了其原因和机理。基于PbI2残留的问题，我们对传统的连续沉积法制备钙钛矿薄膜工艺进行了改进，发展了一种三明治前驱薄膜MAI-PbI2-MAI的方法来制备高质量无PbI2残留的钙钛矿薄膜。基于该薄膜的钙钛矿太阳电池获得了17.8％的光电转化效率，其开路电压为1.10V，短路电流密度为21.08 mA cm-2，填充因子为0.77，并且稳定性有了大幅的提高。
　　对于不同结构的钙钛矿太阳电池（平板结构的钙钛矿太阳电池和介孔结构的太阳电池），对钙钛矿光活性薄膜的质量要求也不同。本文系统研究了连续沉积法制备平板钙钛矿太阳电池和介孔钙钛矿太阳电池中对于钙钛矿薄膜质量的要求，详细分析了其原因和机理。基于这些机理，我们开发了一种基于连续沉积法制备高效稳定的平板钙钛矿太阳电池的新方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 可再生能源与太阳能的研究背景

1．2 太阳电池及其分类

1．2．1 硅基太阳电池

1．2．2 化台物薄膜太阳电池

1．2．3 染料敏化太阳电池

1．2．4 有机聚合物太阳电池

1．3 钙钛矿太阳电池

1．3．1 钙钛矿材料概述

1．3．2 钙钛矿太阳电池结构和工作原理

1．3．3 钙钛矿太阳电池钙钛矿光活性屡的制备方法

1．4 本文选题依据及主要工作内容

第二章 钙钛矿太阳电池的制备及研究方法

2．2 钙钛矿太阳电池制备所需的仪器设备

2．2．3 加热台

2．2．7 高真空蒸镀仪

2．2．8 旋转蒸发仪

2．3 钙钛矿太阳电池研究方法

2．3．2 原于力显微镜

2．3．3 X射线衍射仪

2．3．4 紫外可见吸收光谱

2．3．5 瞬态吸收光谱

2．3．6 电化学阻抗谱

2．3．7 太阳电池的电流电压特性测试

2．3．8 太阳电池的入射单色光光电转换效率

2．4 本章小结

第三章 电子传输层的结构和形貌对连续沉积法制备钙钛矿太阳电池的影响

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料

3．2．2 器件的制备

3．3 结果与讨论

3．4 本章小结

3．5 CCM TiO2薄膜是连续的致密介孔层的证明

第四章 PbI2薄膜形貌对于连续沉积法制备钙钛矿太阳电池的影响

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 实验材料

4．2．2 器件的制备

4．3 结果与讨论

4．4 本章小结

第五章 三明治前驱薄膜MAI-PbI2-MAI制备高效稳定的钙钛矿太阳电池

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验材料

5．2．2 器件的制备

5．3 实验结果与讨论

5．4 本章小结

第六章 反溶剂连续沉积法制备高效平板钙钛矿太阳电池

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 实验材料

6．2．2 器件的制备

6．3 实验结果与讨论

6．4 本章小结

第七章 全文总结与展望

7．1 全文总结

7．2 展望

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

致谢