基于两步法的大面积钙钛矿太阳能电池的制备与研究

发布时间：2020-04-02 11:42

【摘要】：随着经济的快速发展,能源危机和环境问题变得突出,世界各国对清洁的可再生能源的需求不断增加,能源供应结构正发生根本性变化。太阳能作为能源领域的方向之一,光伏技术成为当下太阳能利用的研究热点。近几年发展起来的有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池具有高效率、工艺简单和低成本的特点,正成为该领域的一颗明日之星。本文研究了钙钛矿太阳能电池的制备工艺。在此基础上,制备了基于柔性和刚性基板的大尺寸钙钛矿太阳能电池。同时,对大尺寸器件的稳定性进行了研究,并提出了一种解决方案来提高器件的稳定性。主要研究内容与结论如下。首先,采用混合蒸发/旋涂法来制备钙钛矿电池的活性层。研究了PbI_2蒸发速率对钙钛矿薄膜的影响,发现20?/s的超快PbI_2蒸发速率有利于碘化铅转化为钙钛矿薄膜。通过优化速率,制备了无孔洞的高质量钙钛矿薄膜。经过优化后,器件的光电转换效率达到了14.88%,并且没有迟滞现象。其次,通过上述制备工艺,大尺寸无孔洞的钙钛矿薄膜在5 cm×5 cm的柔性基板上成功制备。基于上述高质量的钙钛矿薄膜,1.2 cm~2和16 cm~2尺寸的光电转换效率分别达到了12.75%和8.3%。对大尺寸的柔性器件进行机械弯折测试,研究了弯折的破坏因素。然后,钙钛矿器件的基板面积进一步扩大到10 cm×10cm。采用这种体积膨胀的制备工艺,将0.16 cm~2的器件放大到大尺寸的钙钛矿电池组件,实现了高达13.98%的电池组件认证效率,且小尺寸到大尺寸的电池效率损耗仅为8%。研究还发现大尺寸组件中,当使用金电极时,组件效率在存放16天后,其效率就衰减为初始效率的38%,与小尺寸器件40天存放仍保持90%效率相比表现出较大区别。而使用铜电极的电池组件效率在存放30天后保留初始效率的90%,器件稳定性得到了大幅提升。我们认为组件中才会出现的热斑效应是主要影响因素。本文以“热斑”的表征方法来研究电池组件的稳定性。热斑效应的研究揭示了铜电极与金电极相比可以降低热斑数量和由于热斑效应造成的温度升高的程度。其原因在于:尽管金和铜都扩散到Spiro-OMeTAD层,但金仍以金属形式存在,这可能会加剧器件中的不受控电子复合,加速其在使用过程中的损毁。而铜会被氧化,形成导空穴半导体材料CuI,不会大幅度改变器件原有电子复合情况。本研究也因此发现一些在小尺寸器件中长期使用的稳定材料体系和器件结构并不一定适用于电池组件,为钙钛矿太阳能电池的实用化过程中的问题解决提供了一个新的思路。
【图文】：

太阳能电池,历程

图 1-1 太阳能电池分类及其发展历程[2]在 1839 年，Becquerel 在溶液中首次发现了光生伏特效应，这是关于太阳能电池的初次研究。1954 年，美国贝尔实验室制备出单晶硅结构的太阳能电池，并获得了效率高达 6%的器件[1]。之后，随着人们的深入研究和不断探索，太阳能电池得到了快速发展。总体来说，太阳能电池可以分为三个阶段，，第一个阶段是硅基太阳能电池，主要包括单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池等。这是目前已经商业化应用的一类电池。第二个阶段是多元化合物薄膜太阳能电池，包括砷化镓，铜铟镓硒等。这类电池效率较高，但存在原材料储量稀少，制备成本高而难以大面积的推广应用的问题。第三个阶段是新型太阳能电池，根据特点主要分为：染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、量子点太阳能电池和钙钛矿太阳能电池。这类新型太阳能电池具有成本低廉，工艺简单的特点而广受关注。其中，钙钛矿太阳能电池的发展十分迅速，已成为新一代太阳能电池的佼佼者。目前，各类太阳能电池的公证效率记录见图 1-1[2]，其中单晶硅器件最高效

顺序沉积,辅助法,旋涂法,活性层

再进行另一种前驱体进行反应成膜。气相法包括共沉积法助溶液法[7,8]。法具有高度可控的优点，而溶液法具有大面积低成本制造空沉积的缺点之一是需要真空设备，因而会增加成本，而需要惰性气氛来沉积制备薄膜，这也是会增加成本的。真形式，一是共沉积，二是顺序沉积。在共沉积的情况下，感器和多腔厚度监测或共沉积控制器是需要的。在连续沉以在沉积好薄膜之后进行加热退火处理或者在升高的温度是首先制备一层金属卤化物，然后有机源进行气相蒸发进物可以被热蒸发，但有机前驱体是在管式炉中进行热蒸发大面积上均匀成膜制备高性能器件。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4

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