杂化钙钛矿的晶体生长动力学及高效率太阳能电池

发布时间：2020-10-25 20:30

　　 随着能源危机和环境污染问题的日益加剧,新能源的开发和利用显得十分紧迫。太阳能作为一种清洁而又取之不尽的能源,正在受到人们的重视。近年来,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池由于其极低的成本与迅猛发展的效率,吸引了大量研究人员的关注。有机-无机杂化钙钛矿材料(A=Cs,FA,MA,BA,B=Pb,Sn,X=C1,Br,I)具有非常优异的光电学性能,包括较大的吸光系数、长的载流子寿命、高的电荷迁移率、长的电荷迁移距离以及高的缺陷容忍度等。我们致力于研究以低成本溶液法制备高效率、高稳定性的有机/无机杂化的钙钛矿太阳能电池。通过精确控制钙钛矿薄膜的形貌/织构、优化材料的组分、以及改善薄膜的制备工艺,解决材料在基于溶液法制备过程中带来的低质量,以及高的载流子复合率等问题,逐步提升器件的光电转化效率。研究内容包括:研究了不同配位能力的添加剂对钙钛矿薄膜形貌/织构的影响,其中重点研究了不同配位能力的添加剂对薄膜形核及结晶过程的影响。研究发现不同配位能力的添加剂对薄膜的形核结晶过程的影响较大,表明添加剂的配位能力可以作为一个控制薄膜生长的有效参数。与大部分研究通过引入强配位添加剂以获得大尺寸晶粒的钙钛矿多晶薄膜不一样,通过引入弱配位添加剂乙腈且获得了具有更大晶粒尺寸的钙钛矿薄膜;并详细研究了乙腈对形核及生长过程的影响,该思路可推广到其它的添加剂的研究中,具有很好的普适性。基于弱配位添加剂在前驱体溶液中的引入,以及由此制备的高质量的钙钛矿薄膜,获得了高达19.7%的光电转换效率的钙钛矿太阳能电池,这在当时低温平面钙钛矿器件中属于较高的器件效率。由于低温钙钛矿器件可以进一步用于制备柔性器件和叠层器件,该研究对钙钛矿多晶薄膜的认识及未来的商业化应用都有重大意义。采用混合设计(中心复合设计的一种)的方法研究混合阳离子钙钛矿的光电性能与组分的构效关系,并构筑高效的太阳能电池。不同于早期人们主要采用梯度控制不同阳离子的比例来研究A位离子掺杂对钙钛矿光电性能的影响,研究发现采用混合设计的方法可以大大降低实验的样本量,并有效地揭示了薄膜光电性能与A位阳离子钙钛矿之间的构效关系,同时优化器件效率。在混合钙钛矿体系中,确立了器件的光伏特性参数与A位阳离子之间的构效关系,同时建立了不同性能之间的必然联系;该方法有别于大多数理论模型通过数据统计的方法确认效率最高点的组分范围。通过混合设计的方法,确认了钙钛矿太阳能电池效率最佳的组分点,并通过优化获得了光电转换效率为20.99%的器件。混合设计的方法将材料组分与器件的光电性能之间的构效关系可视化的呈现出来。特别值得一提的是,该方法可以用于可视化其它任何器件性能与其材料组分之间的构效关系,具有广泛的普适性。发展了利用“晶种法”改善钙钛矿材料的生长工艺,并进一步提高其太阳能电池效率。钙钛矿晶种的方法是在前驱体溶液两步沉积的过程中,将部分A位阳离子溶液与无机骨架物种预先混合在第一步进行沉积;该方法介于两步和一步旋涂法之间,结合了两者的优势,从而保证薄膜成分的均匀性以及快速的晶体生长过程。通过对比不同晶种成分对钙钛矿太阳能电池效率的影响,发现相对体相材料而言,基于宽带隙的钙钛矿晶种比窄带隙的钙钛矿晶种可获得更高的效率;其主要原因是由于晶种在晶粒内部,窄带隙包宽带隙有利于电荷的传输。此外,相对于传统的两步旋涂沉积法来说,晶种的加入,可以使得薄膜反应更充分,降低残余碘化铅的含量;并可方便调节薄膜的带隙。最后,通过一系列的优化获得了高达21.5%光电转化效率的钙钛矿太阳能电池。将三维钙钛矿的生长工艺进一步拓展至二维/三维多级钙钛矿的构筑。采用连续两步沉积方法制备出了准二维/三维多级钙钛矿结构,其中准二维钙钛矿(BA)2(MA)n-1PbnI3n+1垂直于三维钙钛矿基底之上。此钙钛矿薄膜结构有别于传统一步法制备的准二维钙钛矿(BA)2(MA)n-1PbnI3n+1结构,钙钛矿薄膜由不同n值的相构成,其中,n值从上表面到下表面逐渐增加。系统的研究了该薄膜的形核机制,揭示了阳离子比例及阳离子浓度是制备准二维/三维多级钙钛矿结构的关键;其生长机理类似于枝晶的生长机理。此外,通过瞬态吸收证明了载流子在钙钛矿结构中的有效传输,这种光生电子由薄膜上表面向下表面传输适用于独特的光电器件。将这种钙钛矿多级结构的薄膜运用于光电探测器上,获得了超过103的光响应。该工作通过精确的控制了钙钛矿多级结构的生长,对于钙钛矿的生长机理的理解具有较大的帮助,同时这种钙钛矿超级结构也可以运用于太阳能电池或其他光电器件中。
【学位单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM914.4
【部分图文】：

?北京科技大学博士学位论文???１引言??能源是人类赖以生存的根本，随着人类文明的进步，人们生活质量的提??高，人类对能源的需求越来越多（图１－１）。人口当前人们能源主要来源是以??石油、煤炭、天然气为主的化石能源。众所周知，这些能源都属于非可再生??资源，随着人类对能源的需求日益增长，现存的化石资源已经越来越不能满??足人们未来的需求（图１－２）。集中力量开发可再生能源是当前人类面临的最??紧迫的课题。??１?２５０?－１＿Ｈ?Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ??

硒薄膜太阳能电池等）、新型薄膜太阳能电池（其包括有机太阳能电池、有机??－无机杂化钙钛矿太阳能电池及染料敏化太阳能电池等）等［６，７］。按照太阳能??电池的发展历程可将其分为三代太阳能电池，具体分类如图２－１所示：??——Ｊ?Ｉ???Ｉ?Ｉ?？?Ｉ??图２－１太阳能电池的分类??第一代太阳能电池主要是指硅基太阳能电池，包括单晶硅太阳能电池和??多晶硅太阳能电池，这类太阳能电池的发展时间最长，制造工艺和产业化程??度也最成熟，具有丰富的原材料、高效高、稳定好等特点，目前占据了主流??－３?－??

??市场。其中单晶硅的实验室效率已经达到２５．８?％?（图２－２），但鉴于其禁带宽??度只有１．１２ｅＶ，己经非常接近其理论极限光电转换效率２９％，但是由于晶??体硅的生产过程能耗高污染大导致其成本较高。尽管经过科研工作者及产业?＇??界的不断优化，目前铅电池组件的生产成本降至０．６美元／Ｗ，但相对于传统??能源来说，其成本依然很高。??Ｂｅｓｔ?Ｒｅｓｅａｒｃｈ－Ｃｅｌｌ?Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ?ＨＮＲＥＬ??Ｍｕｌｔｉ｜ｕｎｃｉｉｏｎ?Ｃ？＜ｌｔ?？－（８ｒｍｍａ（?ｍｏｎｏＷｉｃ?ＴｂｉｉｖｆＨｍ?Ｔ＊ｃｈｎ〇｜〇ｇｔＭ??？?Ｃ＞Ｇ￡?＂ｘｎｅａｎｔｒａｎｙ；?ＩＢＷ??４?卜：．??”?＾？ｏ＊ｉｕｎｃｔｏ＞ｉ３）ｎｃｗ＊？？ｑｉ?Ｏ?ｉｍｔｖｐｎｏｕ＊?＆?Ｈ?．Ｓｔ?３ｏ？？ｃ??４４?＿?▼?ｙ－？，?ＥｎｗｒｇｍＢＰＶ??４０?—?〇?？Ａ?ａ?Ｓｐｅｃｔｒａｌ＊糾?Ｊｒｒｍｎ??Ｓｉｎｇｌｅ－Ｊｕｎｃｔｉｏｎ?Ｇ＊Ａｔ?＊?＾Ｓｎ？ｐ?（ＩＭＵ）?＾８２８，??３６－?Ｓｉｎ?＇＊＞??卜；聲—?二＇色，＾?一－二＾ｒ；鬣??０?ｉ?〇■?ｉ?＂＊＊１?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?重垂?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??１９７５?１９８０?１９６５?１９９０?１９９５?２０００?２００５?２０１０?２０１５?２０２０??图２－２美国国家可再生能源实验室发布的光伏电池效率纪录表［５］??第二代太阳能电池是指多元化合物薄膜太阳能电池
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本文编号：2855918