新型钙钛矿电池的化学气相沉积制备及其光伏性能研究

发布时间：2017-08-03 10:12

  本文关键词：新型钙钛矿电池的化学气相沉积制备及其光伏性能研究

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【摘要】：近年来,高效率、低成本的新型有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池异军突起,引起了极大地关注。钙钛矿电池主要是以甲胺铅碘(CH3NH3PW3)为光吸收层的新型太阳能电池,而CH3NH3PbI3由于具有较高的光吸收系数、合适的直接带隙、优良的载流子传输性能和高的缺陷容忍性,被公认为是极具发展前景的新一代光伏材料。目前,CH3NH3PbI3光吸收层薄膜的制备一般采用真空热蒸发法和非真空溶液法两种。其中,真空热蒸发法存在设备昂贵、制程复杂等缺点；而溶液法也存在液相反应控制困难,经常导致薄膜出现粗糙多孔、覆盖不完全等缺陷,对器件光伏性能影响极大。因此,急需研究并开发出简单的新型薄膜制备工艺,以推动钙钛矿电池的发展及商业化应用。本论文中,我们创新性的采用低成本、操作简单、可大面积应用的化学气相沉积工艺(CVD)来制备CH3NH3PbI3光吸收层。同时对薄膜进行系统表征以优化制备工艺,进而成功研发出高效率钙钛矿光伏器件。本论文主要包括：第一,采用新型的低压化学气相沉积(LPCVD)方法制备出高质量CH3NH3PbI3薄膜,通过温和的气相-固相(G-S)反应,有效解决了无机薄膜PbI2与有机基团CH3N3HI之间超快插层反应速率问题,避免薄膜出现粗糙、多孔及不完全覆盖等缺陷。研究表明,LPCVD法制备的钙钛矿薄膜具有致密度高、结晶性能好、光吸收强及载流子扩散长度长等优点。更为重要的是,LPCVD方法制备出的钙钛矿薄膜具有较好的湿度容忍性,甚至在高温、激光照射的情况下仍能稳定不分解。基于所制备的高质量光吸收层薄膜,我们在高湿度开放环境下研制出效率达12.73%的光伏器件。第二,采用更为简单可控的原位化学气相沉积(ITCVD)方法制备出4cm×4cm的大面积钙钛矿薄膜,并且初步制备出电池器件,获得了12.2%的光电转换效率。同时,我们首次发现了气相辅助法制备钙钛矿太阳能电池中有趣的J-V曲线翻转"roll-over"现象。通过EIS、C-V和XPS等测试表明：钙钛矿太阳能电池中未被报道的PbI2/CH3NH3PbI3异质结是导致该现象产生的主因,该发现有助于更好的理解新型钙钛矿太阳能电池的工作机理。最后,利用新颖的CH3NH3Cl辅助两步化学气相沉积(STCVD)方法制备出更高质量的钙钛矿薄膜,并且详细的研究了C1元素在G-S反应过程中所起的作用。研究发现,CH3NH3Cl可以快速的与PbI2薄膜发生反应,修复其沟壑缺陷,并细化晶粒成为种子晶模版,进而制备出致密、均匀、晶粒尺寸超大的高品质CH3NH3PbI3薄膜,从而可以减少晶界处的电荷复合,显著提高电池光伏性能。与常规气相沉积的器件性能相比,STCVD法制备电池的开路电压(Voc)平均值从0.915V提升到1.001V,电池最佳效率从10.29%提高到13.76%,达到了目前气相制备的较高水平。进一步研究发现：STCVD方法制备的电池具有良好的稳定性,未封装器件在大气环境下存放48天后,仍有4.15%的效率。由此可见,在本论文中STCVD法已初步实现了高效、稳定钙钛矿太阳能电池的可控制备。同时,还揭示了C1元素对钙钛矿薄膜气相生长的影响机制,有望为钙钛矿电池发展提供重要的理论实验依据和全新的研究思路。
【关键词】：钙钛矿太阳能电池 化学气相沉积 翻转现象 种子晶模版 气-固反应
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4;TB383.2
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-10
• ABSTRACT10-16
• 第一章 绪论16-28
• 1.1 太阳能电池发展概述16-17
• 1.2 太阳能电池的分类17-18
• 1.2.1 硅太阳能电池17
• 1.2.2 化合物半导体薄膜电池17
• 1.2.3 有机半导体太阳能电池17-18
• 1.2.4 染料敏化太阳能电池18
• 1.3 有机/无机杂化钙钛矿电池简介18-26
• 1.3.1 钙钛矿电池的研究进展18-19
• 1.3.2 钙钛矿光吸收层的结构与性质19-21
• 1.3.3 钙钛矿电池的器件结构21-24
• 1.3.4 钙钛矿光吸收层的制备方法24-26
• 1.4 本课题的主要研究内容及意义26-28
• 第二章 材料的制备与表征方法28-31
• 2.1 材料的制备28
• 2.1.1 甲胺碘和甲胺氯粉末的合成28
• 2.1.2 前驱体溶液的配制28
• 2.2 薄膜和器件的性能测试与表征方法28-31
• 2.2.1 薄膜的表征方法29-30
• 2.2.2 钙钛矿电池的表征方法30-31
• 第三章 低压化学气相沉积法制备高性能钙钛矿电池31-44
• 3.1 引言31-32
• 3.2 实验部分32-36
• 3.2.1 实验原料、试剂及仪器32-33
• 3.2.2 钙钛矿光吸收层的制备33-34
• 3.2.3 钙钛矿电池器件的组装34-36
• 3.3 测试结果分析与讨论36-43
• 3.3.1 甲胺碘粉末的表征36-37
• 3.3.2 CH_3NH_3PbI_3光吸收层的XRD分析37-38
• 3.3.3 CH_3NH_3PbI_3光吸收层的表面形貌分析38-39
• 3.3.4 CH_3NH_3PbI_3光吸收层的光学特性研究39-40
• 3.3.5 CH_3NH_3PbI_3光吸收层的变温拉曼分析40-41
• 3.3.6 CH_3NH_3PbI_3光吸收层的稳定性研究41-42
• 3.3.7 退火时间对钙钛矿电池效率的影响42-43
• 3.4 本章小结43-44
• 第四章 原位化学气相沉积法制备钙钛矿电池及其J-V翻转现象研究44-54
• 4.1 引言44
• 4.2 实验部分44-46
• 4.2.1 钙钛矿光吸收层的制备44-45
• 4.2.2 钙钛矿电池器件的组装45-46
• 4.3 实验结果与表征46-53
• 4.3.1 CH_3NH_3PbI_3光吸收层的XRD分析46
• 4.3.2 CH_3NH_3PbI_3光吸收层的表面形貌分析46-47
• 4.3.3 CH_3NH_3PbI_3光吸收层的光学特性研究47-48
• 4.3.4 J-V曲线及其翻转现象研究48-52
• 4.3.5 大面积钙钛矿薄膜的制备52-53
• 4.4 本章小结53-54
• 第五章 CH_3NH_3Cl/CH_3NH_3I两步法制备高效钙钛矿电池54-67
• 5.1 引言54
• 5.2 实验部分54-56
• 5.2.1 CH_3NH_3Cl/CH_3NH_3I两步法制备钙钛矿薄膜54-56
• 5.2.2 钙钛矿太阳能电池的制备56
• 5.3 实验结果与表征56-66
• 5.3.1 钙钛矿光吸收层的制备过程研究56-59
• 5.3.2 钙钛矿光吸收层的XPS分析59-60
• 5.3.3 钙钛矿光吸收层的形貌分析60-63
• 5.3.4 钙钛矿电池的光伏特性研究63-64
• 5.3.5 钙钛矿电池的稳定性研究64-66
• 5.4 本章小结66-67
• 第六章 总结和展望67-69
• 6.1 论文总结67-68
• 6.2 工作展望68-69
• 参考文献69-78
• 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况78

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