空气环境下高性能钙钛矿太阳能电池的制备及其光电性能的研究

发布时间：2020-05-12 04:42

【摘要】：有机金属卤化物钙钛矿材料具有可调的直接带隙、高摩尔吸光系数、高载流子迁移率和电子-空穴双极扩散等优异的特性,因此,近几年来它成为光电研究领域中人们关注的焦点之一。基于该类钙钛矿材料的太阳能电池经过短短几年的发展,其能量转换效率几乎能够和传统晶体硅太阳能电池的效率相媲美。然而由于钙钛矿材料在水氧环境中的不稳定性,使得目前绝大多数高性能钙钛矿电池的制备均是在高度真空环境如手套箱下完成的,这样无形中增加了钙钛矿太阳能电池的制备成本,不利于器件的产业化进程。本文较系统的研究了两种不同方法对钙钛矿晶体微观形貌、晶体结构、光学特性乃至器件性能的影响,这两种方法分别为溶液法制备钙钛矿晶体采用不同反溶剂以及在钙钛矿材料中掺杂非金属阳离子,它们实现了在全空气环境下制备高性能钙钛矿太阳能电池,并由此提出了在全空气环境中制备钙钛矿太阳能电池提高其光电转化效率的可能途径与方法。主要研究内容概括如下:1、空气环境中,不同反溶剂对CH_3NH_3PbI_3钙钛矿电池微观形貌以及光电性能的影响本文系统研究了在高湿度(相对湿度RH50%)的空气环境下,氯苯、甲苯、乙醚、乙酸乙酯四种反溶剂对钙钛矿晶体的微观形貌、晶体结构、光学性能乃至器件性能的影响。我们基于四种不同的反溶剂制备了钙钛矿太阳能电池,使用氯苯、甲苯和乙醚反溶剂制备的器件,其光电转换效率效率分别为2.87%、0.2%和13.78%。与之形成对比的是,使用乙酸乙酯反溶剂制备的器件,其最高光电转换效率可高达17.83%。这可能是由于在高湿环境下,相比其他三种反溶剂,乙酸乙酯具有一定的湿度耐受性,它能够快速去除钙钛矿制备过程中产生的PbI_2-MAI-DMSO中间相,从而使钙钛矿晶体快速结晶,形成的钙钛矿吸收层更加致密,晶粒尺寸更大,而晶界数目的减少有利于钙钛矿晶体中载流子的传输,有效抑制复合。2、Si~(4+)离子掺杂浓度对钙钛矿太阳能电池光电性能的影响本文将钙钛矿材料中掺杂不同浓度(0.1mol%、0.15mol%、0.3mol%、0.6mol%、1.2mol%)的非金属阳离子Si~(4+)。通过比较研究发现,当Si~(4+)离子掺杂浓度从0增加至0.3mol%时,钙钛矿晶体的结晶性得到改善,光吸收强度有所增加,而当Si~(4+)浓度从0.3mol%升高至1.2mol%时,钙钛矿晶体的结晶性降低,钙钛矿晶粒表面会有疑似SiO_2析出,UV-vis吸收强度也逐渐减弱。基于不同掺杂浓度,我们在高湿环境下制备了具有平板结构的钙钛矿太阳能电池,研究表明,与未掺杂的样品相比较,掺杂浓度0.3mol%的器件,其光电转换效率从15.8%提高到18.37%,提高了近15%。当掺杂浓度高于0.3mol%时,器件的性能有所下降。这是因为,掺杂Si~(4+)后,少量的SiO_2会在钙钛矿晶体的晶界处形成,增加钙钛矿晶体的致密性,并可以起到钝化晶界,减少界面上的表面态的作用。缺陷态的减少能抑制电子复合、有利于载流子的传输,这是器件性能改善的根本原因。
【图文】：

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图 1.1 美国国家能源实验室太阳能电池光电转化效率进展表Fig 1.1 Best research-cell efficiencies of all kinds of solar cells of NREL太阳能电池首次出现在 1954 年的美国贝尔实验室，最初的光电转换效率为.5%，自此开始了太阳能电池蓬勃发展与研究的序章[3]。如图 1.1 为美国国家能验室最新的太阳能电池光电转化效率进展表。硅基太阳能由于其具有天然的高电转化效率以及使用稳定性，很快就被商业普及开来，并在军事、民用、航空领域发展较为完善。然而，硅基太阳能电池由于对硅料纯度要求较高，造成成高、能耗大、污染严重的不良影响对其应用有所影响[4]，所以我们称硅基太阳池为第一代太阳能电池。之后，，便有了第二代太阳能电池，其以非晶硅、碲化(CdTe)、砷化镓(GaAs)、铜铟镓硒(CuInGaSe)等为主的薄膜太阳能电池为主，，我们称之为薄膜太阳能电池。薄膜太阳能电池由于具有比较高的缺陷容忍度以它们对材料要求没有晶体硅那么高，使生产成本较为降低，光电转换效率也高，并且更易于工业化大规模组块化生产，因此，第二代太阳能电池也得到了速的发展。然而，由于薄膜太阳能电池仍具有原料较为稀缺、工艺较为复杂，

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第一章绪论Cs2BiAgBr6[35-37]。还有许多另辟蹊径的钙钛矿材料，如 AgBi2I7、 Ag3BiI6、 AgBiI4[38-40]等也取得了一定的成果。作为最经典的钙钛矿体系 CH3NH3PbI3是被研究最多的一个钙钛矿模型，在此种结构中，CH3NH3+、Pb2+和 I-三种离子半径分别为 0.132nm、0.206nm、0.18nm[41-42]。可计算出MAPbI3体系的钙钛矿晶体的容忍因子为0.83，在室温下可形成四方结构，当温度升高至 54℃时，它会转变成立方晶相[43]。如图 1.2 为被制备成薄膜状的CH3NH3PbI3材料的 XRD 图。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4

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