钙钛矿太阳电池的高可重现性与大面积制备技术研究

摘要

近年来，基于无杌-有机杂化钙钛矿光伏材料的钙钛矿太阳电池因其因其制备成本低、光电转换效率提升快而倍受关注。而真正实现钙钛矿太阳电池的实际应用，仍有诸多问题需进一步地探索，如大面积制备及其工艺的稳定性等。针对于此，本论文从溶液制备法的工艺优化到器件性能的进一步提升，以及大面积制备工艺的开发等方面开展了研究，具体内容包括:
　　(1)在分步液浸法及两步旋涂法的基础上，提出以多步旋涂法沉积钙钛矿薄膜，实现了钙钛矿太阳电池高可重现性的制备。一方面，以定量旋涂异丙醇的方式对PbI2薄膜进行预润湿，并采用旋涂冲洗的后处理工艺改善了钙钛矿薄膜的成膜质量;另一方面，利用异丙醇和环己烷的混合体作为溶剂配制CH3NH3I前驱体溶液，优化了PbI2到钙钛矿的转化反应。利用上述方法制备的CH3NH3PbI3薄膜晶粒尺寸分布集中，薄膜覆盖率高、均匀性好，不但有效避免原料试剂的浪费、增强了过程可操作性，而且实现了各项实验参数的量化控制。利用该方法制备的钙钛矿薄膜使器件光电转换的标准偏差不超过±0.52，器件的可重现性得以显著增强。
　　(2)通过溶剂工程与氯添加剂的优选组合，实现了钙钛矿薄膜质量的提升，获得了较高效率的钙钛矿电池。研究表明，在DMSO溶剂体系下，PbCl2的介入可显著提升钙钛矿薄膜的成膜质量，并增强了活性层的光吸收能力;当掺入PbCl2的摩尔百分比为30％时，所得薄膜的形貌、结晶特性达到相对最优状态，并表现出了较强的光收集能力。在此条件下制备的钙钛矿太阳电池光电转换效率达到14.42％，较无PbCl2添加剂调控时的效率值提高了36.3％。
　　(3)提出了基于磁控溅射技术的钙钛矿薄膜沉积方法。首先，使用高纯金属铅(Pb)靶，以高纯Ar、O2分别作为工作气体和反应气体，在衬底上溅射PbO薄膜;其次，使PbO薄膜与CH3NH3I前驱体溶液进行反应，实现了从PbO到CH3NH3PbI3的转化。经工艺参数的优化，获得了质量和性能均较优的钙钛矿薄膜;在此基础上，进一步制备了介孔结构的钙钛矿太阳电池，实现了13.8％的光电转换效率。
　　(4)探索研究面向规模化量产的大面积钙钛矿太阳电池的制备工艺技术，利用磁控溅射技术沉积钙钛矿薄膜，在有效面积超过1 cm2的平面结构太阳电池上实现了10.7％的光电转换效率;通过不同而积的器件光伏性能对比分析，可以看出，该项技术是实现大面积钙钛矿电池制备的有效方法之一。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 能源发展

1．1．2 太阳能及其利用

1．1．3 光伏发电技术

1．2 太阳电池

1．2．1 太阳电池的工作原理

1．2．2 太阳电池的发展

1．2．3 当前太阳电池所面临的问题

1．3 钙钛矿光伏材料及太阳电池

1．3．1 钙钛矿晶体结构

1．3．2 钙钛矿光伏材料

1．3．3 钙钛矿太阳电池的结构

1．3．4 钙钛矿太阳电池的工作原理

1．3．5 钙钛矿太阳电池的发展与研究现状

1．3．6 当前所面临的主要问题

1．4 选题依据与研究内容

第2章 试剂原料、仪器设备及测试表征方法

2．1 实验试剂和原料

2．2 设备与仪器

2．2．1 磁控溅射镀膜设备

2．2．2 多功能匀胶烘胶机

2．2．3 场发射枪扫描电子显微镜

2．2．4 多晶X射线衍射仪

2．2．5 紫外—可见光分光光度计

2．2．6 台阶仪

2．2．7 原子力显微镜

2．2．8 太阳电池I-V测试系统

2．2．9 太阳电池量子效率测试系统

2．3 表征与分析方法

2．3．1 薄膜的形貌观察与结构分析

2．3．2 薄膜的组份分析

2．3．3 薄膜的光电特性测试

2．3．4 太阳电池光伏性能分析

第3章 钙钛矿太阳电池制备方法的可重现性研究

3．1 引言

3．2 钙钛矿太阳电池制备的可重现性问题

3．3 多步旋涂法沉积钙钛矿薄膜

3．3．1 多步旋涂法工艺优化措施

3．3．2 多步旋涂法制备钙钛矿薄膜的工艺流程

3．3．3 实验部分

3．4 多步旋涂法的影响因素与工艺优化

3．4．1 敷涂反应方式对钙钛矿薄膜特性的影响

3．4．2 CH3NH3I前驱体溶液的优化效果分析

3．4．3 涂敷反应前／后旋涂异丙醇的作用分析

3．5 器件的光伏性能及可重现性评价

3．5．1 器件的组装与测试

3．5．2 光伏性能及可重现性评价

3．6 本章小结

第4章 DMSO体系下PbCl2调控的高效钙钛矿太阳电池

4．1 引言

4．2 基于溶剂工程技术的钙钛矿薄膜优化方法

4．3 掺入氯化物对钙钛矿材料及光伏器件性能的影响

4．4 PbI2／DMSO体系中PbCl2添加剂对钙钛矿薄膜特性的优化

4．4．1 研究思路

4．4．2 实验过程

4．5 DMSO溶剂与PbCl2添加剂对钙钛矿薄膜结构特性的影响

4．6 PbCl2添加剂对钙钛矿薄膜形貌特性的影响

4．7 PbCl2添加剂对钙钛矿薄膜光吸收特性的影响

4．8 光伏性能评价

4．8．1 器件的组装与测试

4．8．2 光伏性能评价

4．9 本章小结

第5章 基于磁控溅射技术的钙钛矿薄膜制备方法研究

5．1 引言

5．2 磁控溅射镀膜技术

5．2．1 磁控溅射镀膜的机理

5．2．2 反应磁控溅射镀膜

5．3 PbO的性质及其镀膜技术研究

5．3．2 PbO镀膜技术研究

5．4 利用反应磁控溅射PbO薄膜

5．4．1 工艺路线

5．4．2 实验部分

5．5 PbO到钙钛矿的转化

5．5．1 实验过程

5．5．2 机理分析

5．6 反应磁控溅射的条件参数对氧化铅／钙钛矿薄膜的影响

5．6．1 基底材料对氧化铅形貌和结构的影响

5．6．2 退火对PbO薄膜形貌和结构的影响

5．6．3 溅射时间对PbO形貌和厚度的影响

5．6．4 CH3NH3I／异丙醇溶液浓度对钙钛矿膜形貌的影响

5．7 基于磁控溅射法制备的钙钛矿太阳能电池

5．7．1 器件的组装与测试

5．7．2 光伏性能分析

5．8 本章小结

第6章 钙钛矿太阳电池的大面积制备技术研究

6．1 引言

6．2 大面积钙钛矿太阳电池制备的意义和研究现状

6．3 基于磁控溅射技术的大面积太阳电池

6．3．1 器件构建

6．3．2 实验部分

6．4 大面积电子接触层制备及形貌特性分析

6．5 大面积PbO薄膜制备及形貌表征

6．6 大面积钙钛矿薄膜特性表征与分析

6．7 大面积钙钛矿太阳电池光伏性能分析

6．8 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 论文的主要工作和结论

7．2 本文取得的创新性工作

7．3 存在的不足及后续拟开展的工作

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

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