空气中钙钛矿电池的制备及薄膜性质的研究

发布时间：2017-06-07 01:07

  本文关键词：空气中钙钛矿电池的制备及薄膜性质的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：有机/无机杂化钙钛矿材料具有光吸收范围广、载流子迁移率高、电子空穴扩散长度长、容易制备等优点,是一种较为理想的太阳能电池材料。近年来,有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池在制备方法、电池结构、材料性质等研究领域均取得了丰硕的研究成果。通过不断的优化电池制备工艺和电池结构,短短几年的时间里,钙钛矿电池的效率超过了20%,显示出极大的发展潜力。虽然钙钛矿材料能够制备出高效率的太阳能电池,但是有机/无机杂化钙钛矿材料对水等极性溶剂比较敏感,晶体结构很容易被极性溶剂破坏且不能恢复,这一特点对电池的性能、稳定性有着极为不利的影响,也对电池的制备环境提出了较高的要求。目前,大部分的高效率电池都在手套箱等无水的环境下制备获得,这不仅使钙钛矿电池制备操作更复杂,还阻碍了钙钛矿电池产业化的进程。因此研究钙钛矿电池在空气中制备的条件和空气中钙钛矿薄膜的性质,对于降低钙钛矿电池的制备成本、研究钙钛矿电池稳定性有重要的意义。本文重点探究空气中高效钙钛矿电池制备方法和薄膜性质的变化,主要内容包括四个方面:1、CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x和CH_3NH_3PbI_3是广泛用于制备钙钛矿电池的两种材料。XRD表征结果证实,我们在空气中使用一步旋涂法成功制备出了这两种钙钛矿薄膜。研究发现,由于空气中制备的CH_3NH_3PbI_3薄膜表面覆盖率不高,制备的电池效率很低。相比之下,CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x薄膜晶粒之间连接更加紧密,表面覆盖率更高,能够在空气中制备出较高效率的电池。在此基础上,以CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x作为活性层,深入研究了空气中介孔钙钛矿电池和平面钙钛矿电池的制备条件。通过逐步退火的方法(70℃退火30 min,再100℃退火15 min)对钙钛矿薄膜进行热处理,获得了转换效率7.22%的介孔电池。平面结构钙钛矿电池(ITO/PEDOT:PSS/CH3NH3Pb I3-xClx/PCBM/C60/Al)也获得了4.66%的效率。2、一步旋涂法由于操作简便,是制备钙钛矿电池的常用方法之一。而在相对湿度较大的空气中,由于水分对钙钛矿薄膜成核过程的影响,一步旋涂法很难制备出致密的钙钛矿薄膜以获得高效率的钙钛矿电池。利用真空退火能够在非手套箱环境中制备出高性能太阳能电池所需的钙钛矿薄膜。在真空中由于溶剂快速挥发,钙钛矿薄膜在结晶的过程晶核数量增加,能够形成致密的钙钛矿薄膜。使用这种退火方式热处理钙钛矿薄膜,在50%左右的相对空气湿度的条件下制备出了转换效率12.98%的平面结构(ITO/PEDOT:PSS/CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x/PCBM/C60/Al)钙钛矿电池,获得1.02 V的开路电压和18.00 mA/cm2的短路电流。而同种环境下,直接在空气中热退火制备的平面电池最高转换效率只有9.2%。电池的稳定性也是衡量钙钛矿电池性能好坏的重要标准,本文中用不同热退火方式制备的钙钛矿电池,在手套箱中都表现出较好的稳定性,在近1000小时的跟踪测量中,电池的开路电压和短路电流基本保持不变。3、真空处理钙钛矿薄膜虽然能够在空气中获得较高效率的钙钛矿电池,但不同的真空处理方式对钙钛矿薄膜的晶粒大小和表面覆盖率有很大的影响,制备出来的电池性能也存在较大的差异。四种不同真空处理方式(1、95℃真空退火90 min。2、常温真空(10pa左右)处理10 min,再95℃真空热退火90 min。3、常温真空(10pa左右)处理10 min,再95℃空气中热退火90 min。4、95℃空气中热退火90 min)制备的电池效率分别为13.44%、11.44%、8.13%、7.96%。通过对比可以看到,直接真空热退火能够在空气中获得更高效率的电池。研究发现,即使是直接真空热退火钙钛矿薄膜,如果薄膜旋涂后在空气中暴露的时间过长或真空热退火后薄膜在高温下直接接触空气,也会导致制备的电池效率不高。4、钙钛矿电池的稳定性和效率与钙钛矿薄膜的性质密切相关。在前面的实验过程中发现,旋涂的薄膜在与空气接触的过程中不断发生变化。针对这一现象进行了更细致的研究:薄膜旋涂后在空气中放置10 min,会生成一种花斑纤维状的物质;薄膜旋涂后经过常温真空处理,在接触空气的2 min时间里,钙钛矿薄膜的颜色由淡黄色迅速变成深棕色,最后变成灰色。继续暴露在空气中1小时后逐渐形成一种纤维状的物质。XRD和SEM的跟踪测量表明这期间薄膜的晶体结构和表面形貌都在发生变化。另外,为了寻找电池在空气中寿命极短的原因,我们对钙钛矿薄膜在空气中的性质变化进行了研究。通过长时间的XRD和SEM跟踪测量发现,经过热退火形成的钙钛矿薄膜在50%相对湿度空气中放置一个星期,晶体结构和表面形貌都没有发生明显的变化。
【关键词】：钙钛矿电池 大气环境 真空退火 薄膜性质
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 太阳能电池研究背景11
• 1.2 太阳能电池概述11-12
• 1.3 钙钛矿太阳能电池12-17
• 1.3.1 有机/无机钙钛矿材料12-13
• 1.3.2 钙钛矿电池结构13-15
• 1.3.4 钙钛矿电池制备工艺15-17
• 1.4 影响钙钛矿电池性能的因素17-20
• 1.4.1 水破坏钙钛矿晶体结构17-19
• 1.4.2 适量水增强钙钛矿结晶19-20
• 1.4.3 空气中制备钙钛矿电池20
• 1.5 论文选题依据和研究内容20-23
• 第2章 实验试剂和实验仪器及表征方法23-28
• 2.1 钙钛矿制备所需实验药品23-24
• 2.2 钙钛矿太阳能电池制备及性能表征所用仪器设备24
• 2.3 钙钛矿电池器件的制备24-25
• 2.4 钙钛矿电池器件和薄膜表征方法25-28
• 2.4.1 伏安特性曲线25-26
• 2.4.2 外量子效率26
• 2.4.3 XRD表征26-27
• 2.4.4 SEM表征27
• 2.4.5 其他表征方法27-28
• 第3章 空气中钙钛矿电池制备基础研究28-37
• 3.0 背景介绍28
• 3.1 材料准备28-29
• 3.2 介孔钙钛矿电池制备29-33
• 3.2.1 实验部分29-30
• 3.2.3 结果与讨论30-33
• 3.3 平面结构钙钛矿电池制备33-35
• 3.3.1 实验部分33-34
• 3.3.2 实验结果与讨论34-35
• 3.4 本章小结35-37
• 第4章 空气中一步旋涂制备高效率钙钛矿电池37-47
• 4.1 背景介绍37-38
• 4.2 实验部分38
• 4.3 结果与讨论38-46
• 4.3.1 钙钛矿薄膜XRD表征38-39
• 4.3.2 钙钛矿薄膜的SEM表征39-40
• 4.3.3 电池的J-V曲线40-41
• 4.3.4 C60的厚度对器件性能的影响41-42
• 4.3.5 钙钛矿层不同退火时间和温度对器件性能的影响42-43
• 4.3.6 PEDOT:PSS和PCBM转速对器件性能的影响43
• 4.3.7 器件重复性和性能进一步研究43-45
• 4.3.8 器件稳定性的测量45-46
• 4.4 本章小结46-47
• 第5章 真空处理对钙钛矿薄膜和器件性能的影响47-53
• 5.1 背景介绍47
• 5.2 实验部分47
• 5.3 结果与讨论47-52
• 5.3.1 钙钛矿薄膜的XRD表征48
• 5.3.2 钙钛矿薄膜的SEM表征48-49
• 5.3.3 电池的J-V曲线特性49-50
• 5.3.4 真空退火不同操作对钙钛矿电池的影响50-52
• 5.4 本章小结52-53
• 第6章 空气中钙钛矿薄膜性质研究53-59
• 6.1 背景介绍53
• 6.2 实验部分53
• 6.3 结果与讨论53-58
• 6.3.1 薄膜旋涂后放置在空气的变化53-54
• 6.3.2 薄膜在空气中放置后的SEM特征54-55
• 6.3.3 薄膜在空气中放置后的XRD特征55-56
• 6.3.4 热退火处理空气中暴露后的薄膜56-57
• 6.3.5 空气中长时间放置的钙钛矿薄膜特征57-58
• 6.5 本章小结58-59
• 第7章 结论与展望59-61
• 7.1 结论59-60
• 7.2 展望60-61
• 参考文献61-74
• 致谢74-75
• 研究生期间科研工作情况75

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 王晓莉,姚熹;复杂组成钙钛矿材料中的纳米分相[J];西安交通大学学报;1995年09期

2 庄志强;王蕴辉;施红阳;;铌镁酸铅类钙钛矿结构铁电多晶体的制备技术[J];华南理工大学学报(自然科学版);1992年03期

3 赵旭,栗萍,唐贵德,张变芳,禹日程;Nb掺杂对双钙钛矿化合物居里温度的影响[J];河北师范大学学报;2004年04期

4 李福q，

本文编号：427869