钙钛矿薄膜晶体生长调控及其刮涂制备工艺研究

发布时间：2020-06-05 23:45

【摘要】：随着社会经济的不断快速发展,人们的生活以及社会的发展对能源的需求日益扩大。然而,随着化石燃料的逐年耗尽,以及燃烧化石燃料所带来的诸如环境污染等副作用,使得现存的不可再生能源不仅无法满足社会可持续发展,而且成为社会潜在的不稳定因素之一。因此,发展清洁、高效的可再生能源与储能技术成为当今世界多国重点发展的科学技术和举足轻重的战略制高点。在所有的绿色能源中,太阳能以其储量巨大、绿色环保、获取便利而具备无与伦比的发展潜力。目前,太阳能电池历经几代的发展,从第一代的晶硅太阳能电池发展至第二代非晶硅薄膜太阳能电池,再到第三代叠层式薄膜太阳能电池,其电池效率不断提高,电池制备的原料和结构不断进化。在这其中,新型有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池以其轻薄、高效、制备工艺简单、成本可控等优势脱颖而出,成为当前备受关注的新型光伏器件。它在不到八年的时间内实现了效率从3.8%提高到超过22%,被《科学》评为2013年度十大科技突破之一。然而,钙钛矿太阳能电池目前仍存在一些亟待解决的问题,诸如稳定性、材料毒性,以及大面积制备等瓶颈难题。本论文针对当前薄膜在制备及稳定性等若干问题,拟通过工艺优化以及引入物理调控等方法,改善钙钛矿薄膜刮涂法制备过程中的结晶控制及结晶质量,从而满足高效钙钛矿太阳能电池的低成本及大面积制备。具体研究工作内容如下:(1)钙钛矿薄膜刮涂法制备工艺优化。钙钛矿光吸收层是钙钛矿太阳能电池的重要组成部分,直接关系到电池性能的优劣。在这一步部分研究中,我们通过自主设计、搭建刮涂和刷涂平台,探索刮涂工艺和不断改进刷头结构,通过手动刮涂法实现质量可观的薄膜的有效制备;在可自动制备和精准定位条件下,通过刷涂法制备出光亮平整且结晶度高的钙钛矿薄膜。最后结合旋涂法,对这三种形膜工艺进行总结和分析比较,分析内在机制原理,为后续钙钛矿薄膜的大面积、高质量刮涂制备提供工艺参考。(2)基于溶剂工程的刮涂薄膜生长调控。溶剂工程被广泛用于旋涂法制备钙钛矿薄膜,但是少有基于刮涂法的溶剂工程研究。在该部分研究中,我们将NMP,DMSO,DMF和GBL等溶剂运用于刮涂制备工艺中的薄膜生长调控,通过研究这些溶剂对钙钛矿薄膜的形貌及晶型的影响机制,系统总结溶剂工程在刮涂成膜过程中的作用机理。此外,我们拟以该溶剂工程的调控为基础,试图解决当前钙钛矿薄膜制备过程中的面积限制问题,通过控制薄膜的形核过程来提升大面积钙钛矿薄膜的均匀性、结晶质量及器件效率。(3)磁场调控钙的钙钛矿薄膜生长机制研究。为进一步实现刮涂法制备钙钛矿薄膜过程中的晶体生长有效调控,以及提升薄膜的均匀一致性。在该部分研究中,我们引入旋转磁场来调控钙钛矿薄膜的生长,通过研究旋转磁场对薄膜的结晶过程的影响机制,优化薄膜成核密度及晶体生长取向,制备出致密、平整可控的高质量钙钛矿薄膜。在此基础上,通过研究这种类型的钙钛矿薄膜对电池器件的影响,我们获得基于刮涂法所制备的钙钛矿太阳能电池效率超过17.5%,并具有良好的稳定性,可在空气中只有大约5%的损失下稳定超过70天。
【图文】：

不可再生能源,可再生,统计表,全球

随着人类社会的不断快速发展，人们生活需求以及社会生产对能源的需求日逡逑益扩大，根据《ＢＰ世界能源统计年鉴２０１６年版》［１］，人们对可再生和不可再生逡逑能源的消耗都在逐年增加，如图１－１所示。与日俱增的消耗需求亟需相应体量的逡逑能源匹配量以及科技水平维持。然而，随着化石燃料的逐年耗尽以及燃烧化石燃逡逑料的带来的诸多副作用等不良的后果，不仅无法满足社会可持续发展的需求而且逡逑成为社会不稳定的潜在因素，比如二氧化碳的大量排放导致温室气体充斥地球而逡逑引发温室效应，冰川融化导致全球海平面上升，据报道至２３００年海平面将上升逡逑０．９米引发新的危机［２］；再者导致空气污染，中国肺癌量居高不下；同时破坏臭逡逑氧层，将人类暴露于辐射射线之下威胁到生命健康。因此，发展清洁和高效的可逡逑再生能源与储能技术成为现在世界多国着重发展的科学技术。逡逑全球消耗量逡逑（单位：百万吨油当最＞逦逡逑■邋？媒炭逦，４０００逡逑■可再生能源逡逑核能逦逡逑■天然气邋逦＾逡逑石油逡逑ｆ邋＂ＴＳＴ．．厂．

太阳能电池,有机太阳能电池,染料敏化,电池

提取层和空穴传输运层组装而成的第三代新型薄膜太阳能电池［４］。最早在２００９逡逑年由染料敏化太阳能电池发展而来，并以快速的姿态在效率上超过发展较早的染逡逑料敏化太阳能电池和有机太阳能电池（如图１－２）邋［５］。具体发展历程为：２００９年，逡逑日本桐荫横滨大学Ｍｉｙａｓａｋａ课题组首次将ＭＡＰｂＢｒ３和ＭＡＰｂＩ３两种有机－无机杂逡逑化钙钛矿使用在染料敏化太阳能电池的光敏层上［６］，以１０微米厚的介孔１１０２作逡逑为光电极，辅以碘离子和溴离子的乙腈溶液为电解液，制备出首个广义上的钙钛逡逑矿太阳能电池（如图１－３）。尽管初始光电转化效率（３．８％）和稳定性较差，但逡逑该项研宄打开了钙钛矿电池研宄的大门。之后２０１１年，韩国成均馆大学Ｐａｒｋ课逡逑题组从原材料和传输机理出发，在此基础上开展更细致的研究，，将乙酸乙酯引入逡逑至电解液中并对其改进，同时对敏化剂（ＭＡＰｂＩ３）进行系统优化，制备出ＭＡＰｂＩ３逡逑量子点，通过调控介孔Ｔｉ０２光阳极厚度以及在沉积之前进行表面处理，成功研逡逑制出钙钛矿量子点敏化太阳能电池
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4

【参考文献】