钙钛矿太阳电池中有机卤化铅吸光层的喷雾制备和界面修饰

发布时间：2017-09-15 04:10

  本文关键词：钙钛矿太阳电池中有机卤化铅吸光层的喷雾制备和界面修饰

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【摘要】：具有钙钛矿结构的有机卤化铅是一种可溶液加工,高载流子迁移率的半导体材料。以这种钙钛矿材料为光吸收层的太阳电池具有结构简单,制备成本低,光谱响应范围宽的优势。经过近几年的迅速发展,目前钙钛矿太阳电池的太阳光转换效率已经达到20%以上,成为一种具有广泛应用前景的低成本光伏器件。在钙钛矿器件研究领域,界面修饰提高载流子收集效率,改进钙钛矿吸光层的制备工艺,以及优化钙钛矿吸光层的成分,都是提高器件性能的有效方法。本论文在这三个方面开展了研究工作:1,钙钛矿吸光层与金属电极的界面接触,是钙钛矿器件领域的基础问题,界面性质直接影响到一些器件的性能,如无空穴导体的钙钛矿太阳电池、钙钛矿光电导探测器等。界面修饰是调控界面性质的重要手段,我们开发了一种利用Li TFSI溶液对CH_3NH_3Pb I3-x Clx/Au界面进行处理的方法,这种方法可以有效地改进载流子在界面的传输过程,大大提高载流子的收集效率。扫描电子显微镜图片显示,在Li TFSI溶液处理后,钙钛矿表面出现了均匀分布的纳米点。Mott-Schottky分析和阻抗分析发现,这种处理方法可以大幅度降低CH_3NH_3Pb I3-x Clx/Au界面的势垒和电荷传输电阻,这也解释了Li TFSI溶液处理提高界面载流子收集效率的机理。通过这种界面处理方法,无空穴导体钙钛矿太阳电池的效率从4.0%提高到7.6%、填充因子从0.36提高到0.64。同时,这种Li TFSI溶液处理的方法在钙钛矿光电导器件上也有明显效果,可以显著提高器件的光电响应信号。2,在钙钛矿太阳电池中,钙钛矿吸光层的薄膜质量与器件性能密切相关,而制备方法是决定成膜质量的一个关键因素。我们开发了一种基于喷雾技术的固/雾界面反应方法用于制备CH_3NH_3Pb I3(MAPb I3)吸光层。这种方法在低温条件下较短时间内便可制备出高质量的MAPb I3膜,且成膜条件易于控制和重复。这些特点对于制备效率高、重复性好的器件十分重要。详细研究表明MAI溶液的体积和反应温度不仅可以控制MAPb I3膜的成分,也能控制它的形貌。在优化的反应条件下,我们制备了高结晶性、无针孔的MAPb I3膜。我们以多孔Ti O2作为MAPb I3的支撑层,以Spiro-OMe TAD为空穴传输层,组装的器件获得了16.2%的最高太阳光转换效率(平均为14.9%)。此外,还利用这种方法组装了没有多孔Ti O2层的平面异质结太阳电池,获得了14.9%的效率,表明这种喷雾反应方法具有广泛应用前景。3,基于甲脒的钙钛矿材料具有更宽的光谱响应,有利于提高电池对太阳光的利用效率,但这种材料的晶体结构稳定性不好,难于制备高质量薄膜,成分调控是提高晶格稳定性的一个可行方案。我们采用喷雾反应方法,制备了Cs+离子掺杂的FA_(1-x) Csx Pb I3固溶体(其中x=0,0.1,0.2,0.3)。通过对FA_(1-x)Csx Pb I3进行XRD分析发现,Cs+离子掺杂会减小晶格常数。XRD分析和扫描电子显微镜图片表明,FA0.9Cs0.1Pb I3膜的平均晶粒尺寸最大,结晶性最好。通过吸收光谱和器件外量子效率测量发现,10%的Cs+离子掺杂可以提高器件对600 nm~800 nm光的利用率。器件的电化学阻抗谱表明,使用FA0.9Cs0.1Pb I3材料的器件具有最大的复合电阻,其载流子复合速率最低。Cs+离子掺杂也降低了载流子在界面的传输电阻,即提高了载流子的收集效率。经过10%的Cs+离子掺杂的FAPb I3薄膜,相应器件的平均效率达到14.2%,明显高于使用未掺杂FAPb I3薄膜的器件(11.3%)。在50%湿度下的老化实验表明,10%的Cs+离子掺杂可以大幅度提高钙钛矿膜和相应器件的湿度稳定性。Cs+离子掺杂后的FAPb I3膜在老化100小时后,仍然保持原有的α相晶体结构,而未掺杂的FAPb I3膜老化后,大部分变为δ相晶体结构。
【关键词】：钙钛矿太阳电池 界面修饰 喷雾反应 固溶体
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2;TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-20
• 1.1 前言11-12
• 1.2 钙钛矿太阳电池12-13
• 1.3 钙钛矿活性层的研究进展13-15
• 1.4 钙钛矿太阳电池的电子传输材料的研究进展15
• 1.5 钙钛矿太阳电池的空穴传输材料的研究进展15-17
• 1.6 太阳能电池的主要性能参数17
• 1.7 本文各部分主要内容17-20
• 第2章 材料合成及器件测量20-22
• 2.1 材料合成20
• 2.1.1 CH_3NH_3I的合成20
• 2.1.2 CH_3(NH2)2I的合成20
• 2.2 性能测量20-22
• 第3章 LiTFSI溶液对CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x光电器件的界面修饰22-31
• 3.1 引言22-23
• 3.2 钙钛矿光电器件的制备23
• 3.3 结果及讨论23-29
• 3.4 本章小结29-31
• 第4章 喷雾反应制备高效率钙钛矿太阳电池的光吸收层31-40
• 4.1 引言31-32
• 4.2 钙钛矿太阳电池的制备32-33
• 4.3 结果及讨论33-38
• 4.4 本章小结38-40
• 第5章 喷雾反应制备以FA_(1-x)Cs_xPbI_3固溶体为光吸收层的湿度稳定性高的钙钛矿太阳电池40-53
• 5.1 引言40-41
• 5.2 钙钛矿太阳电池的制备41-42
• 5.3 结果及讨论42-51
• 5.4 本章小结51-53
• 第6章 总结53-55
• 参考文献55-63
• 作者简介63-64
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文64-65
• 致谢65

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本文编号：854220