基于形貌调控制备高效钙钛矿太阳能电池

发布时间：2017-10-12 09:27

  本文关键词：基于形貌调控制备高效钙钛矿太阳能电池

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【摘要】：在平面异质结钙钛矿太阳能电池(PHJ-PSCs)中,钙钛矿薄膜形貌对最终器件性能起到了决定性作用。本文以钙钛矿薄膜形貌调控为主线,以纯碘和碘氯共混两大体系为研究对象,展开了有关钙钛矿薄膜形貌调控,添加剂作用以及其晶体形成过程中元素分布规律的一系列研究。主要研究内容及其结论如下：(1)以溶剂处理法为基础,通过对溶剂处理时间的优化制备出高质量的CH_3NH_3PbI_3钙钛矿薄膜,并在基于ITO/PEDOT:PSS/CH_3NH_3PbI_3/PC6oBM/Al结构的PHJ-PSCs获得了最高6.44%的光电转化效率,具备良好的重复性,并且在不同扫描条件下没有表现出迟滞效应。(2)探索了不同添加剂二碘辛烷(DIO)比例对CH_3NH_3PbI_3钙钛矿薄膜形貌、结晶度以及最终器件性能的影响。基于最优DIO比例(2 vol%)制备的钙钛矿薄膜覆盖度几乎达到了100%,与此同时晶体结晶度与薄膜平整度均得到了提升。以此为基础的PHJ-PSCs电池获得了高达9.01%的光电转换效率。另外,活性层退火温度也会对器件性能造成影响,60 mmin为最优条件。(3)探索了前驱体溶液浓度对CH_3NH_3PbI_3钙钛矿薄膜形貌以及器件性能的影响。基于最优浓度550mg/ml制备的钙钛矿薄膜致密无孔洞,具备合适的薄膜厚度以及晶粒尺寸,最终PHJ-PSCs达到了最高12.24%的光电转化效率,并且具备很好的重复性。上述结果将为采用一步溶液法大面积制备稳定、高效的PHJ-PSCs提供很强的指导作用。(4)以碘化铅(PbI2)、氯化铅(PbCl2)和碘甲基胺(CH3NH3I, MAI)三元体系为基础,通过控制退火条件调控薄膜形貌制备出高质量的共混CH_3NH_3PbI_3-xClx钙钛矿薄膜,以ITO/PEDOT:PSS/CH_3NH_3PbI_3-xClx/PCBM/C6o/Ag结构制备出高效率PHJ-PSC.器件性能表现出了优异的性能和重复性,最高光电转换效率达到了14.05%,并且在测试过程中的不同扫描条件下并没有出现迟滞效应。此结果对今后一步溶液法大规模制备大面积、高效率的碘氯共混钙钛矿太阳能电池提供了很好的借鉴。(5)探索了退火条件对CH_3NH_3PbI_3-xClx钙钛矿薄膜形貌和元素分布的影响。创造性地发现了薄膜的自修复过程：随着退火时间的延长,薄膜表面的孔洞逐渐被修复填满,薄膜覆盖度随之增加：与此同时通过元素分析,首次发现共混钙钛矿体系中的氯元素随着退火时间的增加逐渐往薄膜底部迁移,与之相反的,碘元素逐渐在薄膜表面集聚。
【关键词】：钙钛矿太阳能电池 形貌调控 添加剂 碘氯共混 元素迁移
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-13
• 第1章 绪论13-26
• 1.1 引言13-14
• 1.2 太阳能电池发展概述14-16
• 1.3 钙钛矿光电材料的结构与性质16
• 1.4 钙钛矿太阳能电池的研究进展16-18
• 1.5 钙钛矿薄膜的制备方法18-21
• 1.5.1 溶液法18-19
• 1.5.2 共蒸镀法19-20
• 1.5.3 气相辅助溶液法20
• 1.5.4 溶剂工程法20
• 1.5.5 其他20-21
• 1.6 钙钛矿太阳能电池的器件结构21-22
• 1.6.1 正置结构与倒置结构21
• 1.6.2 介孔氧化物结构与平面异质结结构21-22
• 1.7 钙钛矿电池的稳定性问题22-24
• 1.7.1 空气稳定性22-23
• 1.7.2 光稳定性23-24
• 1.7.3 热稳定性24
• 1.8 论文选题的背景及研究内容24-26
• 1.8.1 论文选题的背景24-25
• 1.8.2 论文的研究内容25-26
• 第2章 钙钛矿太阳能电池的原理、器件制备及表征26-32
• 2.1 钙钛矿太阳能电池工作原理26
• 2.2 钙钛矿太阳能电池的制备26-29
• 2.2.1 钙钛矿太阳能器件制备所需相关设备26-27
• 2.2.2 钙钛矿太阳能器件制备所需主要试剂27
• 2.2.3 钙钛矿太阳能电池器件制备流程27-29
• 2.3 钙钛矿太阳能电池相关表征29-32
• 2.3.1 紫外-可见吸收光谱(UV-vis)29-30
• 2.3.2 X射线衍射(XRD)30
• 2.3.3 扫描电子显微镜及能谱仪(SEM-EDS)30
• 2.3.4 原子力显微镜(AFM)30
• 2.3.5 J-V测试30-32
• 第3章 基于形貌调控制备纯碘体系钙钛矿太阳能电池32-49
• 3.1 引言32-33
• 3.2 实验部分33-34
• 3.2.1 钙钛矿前驱体溶液的配制33
• 3.2.2 钙钛矿太阳能电池器件的制备33-34
• 3.2.3 钙钛矿薄膜的相关表征34
• 3.2.4 钙钛矿太阳能电池器件的光电性能测试34
• 3.3 结果与讨论34-48
• 3.3.1 溶剂处理法对薄膜质量及器件性能的影响34-38
• 3.3.2 添加剂对薄膜质量及器件性能的影响38-44
• 3.3.3 前驱体溶液浓度对薄膜质量及器件性能的影响44-48
• 3.4 本章小结48-49
• 第4章 基于形貌调控制备碘氯共混钙钛矿太阳能电池49-64
• 4.1 引言49-50
• 4.2 实验部分50-51
• 4.2.1 钙钛矿前驱体溶液的配制50
• 4.2.2 钙钛矿太阳能电池器件的制备50
• 4.2.3 钙钛矿薄膜的相关表征50
• 4.2.4 钙钛矿太阳能电池器件的光电性能测试50-51
• 4.3 结果与讨论51-63
• 4.3.1 共混钙钛矿薄膜的生长过程51
• 4.3.2 共混钙钛矿薄膜的形貌调控51-53
• 4.3.3 共混钙钛矿薄膜各区域的元素分析53-56
• 4.3.4 共混钙钛矿薄膜结晶性能的比较56-57
• 4.3.5 共混钙钛矿薄膜吸收谱的比较57-58
• 4.3.6 共混钙钛矿器件光电性能的比较58-61
• 4.3.7 双层富勒烯修饰对共混钙钛矿太阳能电池性能的影响61-63
• 4.4 本章小结63-64
• 结论64-65
• 展望65-66
• 参考文献66-73
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录73-74
• 致谢74

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本文编号：1017936