钙钛矿自组装成膜行为调控及其对钙钛矿太阳能电池性能影响研究

发布时间：2020-09-11 07:51

　　 钙钛矿太阳能电池因其原材料来源丰富,制备工艺简单,光电转换效率高而受到了广泛的关注。自发现之日起,钙钛矿太阳能电池便经历了史无前例的快速发展。目前,其最高效率已经达到了22.7%,显示出了巨大的应用潜力。在由实验室向工业化大规模生产的转移过程中,开发与Roll to roll等大规模生产工艺相兼容的钙钛矿薄膜成膜方法具有重要意义。在效率得到飞速提升的同时,稳定性是限制其最终应用的关键,钙钛矿材料本身不稳定,在水、氧、光照等外部条件影响下容易发生分解,因此,提高钙钛矿吸光层的稳定性显得尤为重要。在实用化过程中,铅泄露的风险也是人们比较担心的问题,尽管器件中铅的实际含量很低,但寻找合适的无铅钙钛矿材料仍具有非常重要的意义。本文基于CH_3NH_2与CH_3NH_3PbI_3之间的反应机理,利用钙钛矿中间体的自组装作用,开发适用于规模化生产的钙钛矿薄膜成膜方法。以此为基础,构筑PMMA包覆晶粒的钙钛矿薄膜,在保持器件高效率的同时提高其长期稳定性。基于CH_3NH_2对钙钛矿薄膜成膜性质的影响,进一步研究了利用乙醇作溶剂制备MA_3Bi_2I_9无铅钙钛矿薄膜对其光电性能的影响。研究获得的主要结果和结论如下:(1)CH_3NH_3PbI_3与CH_3NH_2之间的反应随反应条件的不同而改变,随着反应的进行,可分别得到液态的钙钛矿中间体和固态的晶体。通过对实验产物和反应机理的分析,发现了CH_3NH_2对钙钛矿的剪切作用,通过此作用生成的钙钛矿中间体可自组装形成钙钛矿薄膜。(2)利用钙钛矿中间体的自组装作用,引入乙腈作溶剂,开发出了制备钙钛矿薄膜的新方法。相较于传统成膜方式,该方法成膜工艺简单,可以更好地适应工业化大规模生产工艺。通过该方法制备的钙钛矿薄膜稳定性优于使用传统方法制备的薄膜,在60%湿度的环境中放置7天之后仍稳定存在而不发生分解,通过优化,其PSC器件获得了16.4%的光电转换效率。(3)通过在钙钛矿中间体溶液中引入疏水性的PMMA,成功制备得到PMMA包覆晶粒的钙钛矿薄膜。在薄膜中,PMMA主要存在于晶界处,因此可以很好地提高薄膜的抗水性和稳定性,钙钛矿薄膜与水的接触角从39.1°提高到了65.1°。研究发现,在提高钙钛矿薄膜长期稳定性的同时,PMMA还可以补偿晶界处的碘空位等缺陷,从而抑制非辐射复合,起到钝化作用,使PL强度明显增强。利用PMMA包覆钙钛矿晶粒,显著提高了薄膜及器件的稳定性,在50%~70%的湿度条件下,经过1200 h的稳定性测试后,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率仍能保持在初始效率的90%以上。(4)CH_3NH_2分子可以通过插层的方式与BiI_3晶体相互作用,能够促进BiI_3与MAI反应生成MA_3Bi_2I_9,同时也可以增强BiI_3在乙醇中的溶解度。基于此,采用甲胺乙醇溶液作溶剂,通过优化成膜工艺,制备了致密无孔洞的MA_3Bi_2I_9薄膜,其器件的光电性能优于使用DMF作溶剂制备的薄膜,得到了0.84 V的开路电压。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM914.4
【部分图文】：

太阳能电池效率图

图 1-2 钙钛矿太阳能电池工作原理示意图[30]. 1-2 Schematic illustration of working principles for perovskite solar ce太阳能电池发展历史

图 1-3 钙钛矿基本晶体结构示意图[42]ig. 1-3 Schematic illustration ofABX3perovskite structurekite)的取名来自于其代表性氧化物 CaTiO3，是由

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本文编号：2816412