蒸汽修复制备低陷阱态钙钛矿薄膜研究
发布时间：2021-09-19 04:38
在短短的十年内钙钛矿太阳能电池（perovskite solar cells,PSCs）的转换效率（power conversion efficiency,PCE）就从3.81%提高到了25.2%。由于远离热力学平衡,溶液制备方法沉积的钙钛矿薄膜通常含有大量缺陷,这造成了严重的非辐射复合损失,最终使得PCE无法接近Shockley-Queisser理论极限（约为33%）。同时,对于工业化生产的大面积、高厚度的PSCs,由于薄膜厚度增加,陷阱数量会呈几何倍数增加。因此有效的缺陷钝化对于制备低陷阱态的钙钛矿薄膜不可或缺。在本论文中,我们专注于降低钙钛矿薄膜的缺陷密度,制备低缺陷密度钙钛矿薄膜。氯离子（Cl-）作为常见的阴离子钝化剂,经常用于低陷阱钙钛矿薄膜的制备。一方面,退火过程中氯化甲胺（MACl）的挥发会减缓钙钛矿的结晶,导致晶界的减少、晶粒尺寸的增大,这有利于载流子在钙钛矿活性层的传输;另一方面,在钙钛矿的晶界处,由于Cl-的添加,缺陷诱发的深能级陷阱被钝化,从而非辐射复合得到抑制。甲胺（methylamine,MA）气体作为一种路易斯碱,...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
019年太阳能电池中国最高效率图表
第一章绪论3时，钙钛矿结构才相对稳定。当0.89<t<1.00时，钙钛矿的晶体结构为立方相结构；而当1.00<t<1.11时，无机层会被过大的有机层撑开从而形成层状钙钛矿结构；当0.81<t<0.89时，钙钛矿的晶体结构为对称性较低的四方相或者正交相[14]。尽管如此，随着温度升高，钙钛矿结构最终还是会完成向立方相的转变[15]。图1-2AMX3钙钛矿晶胞的球棒模型以及晶胞延伸至三维空间的多面体结构[16]钙钛矿材料由于制备工艺简单，成本低廉，而且具有强烈的光吸收（1.5×104cm1）[17,18]、可调节的光学带隙[19]、较高的载流子迁移率和较长的载流子扩散长度[20,21]，以及浅的缺陷能级[22]等优势，已经成为新能源领域的新宠，受到了科研工作者们的广泛关注。1.3钙钛矿太阳能电池1.3.1钙钛矿太阳能电池的发展历程如图1-3所示，PSCs的光电转换效率（photoelectricconversionefficiency,PCE）在短短10年间获得了飞速的发展。在2009年，Miyasaka研究小组[5]在染料敏化太阳能电池中使用甲胺铅碘（CH3NH3PbI3,MAPbI3）钙钛矿作为光吸收剂材料，使得功率转换效率达到3.81%，但由于稳定性差，所有器件都无法长期工作。
电子科技大学硕士学位论文4图1-3太阳能电池最佳认证效率图表[7]2012年，Park与Grtzel课题组[23]合作，将2,2",7,7"-四(N,N-二对甲氧基苯胺)-9,9"-螺二芴（2,2",7,7"-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)-9,9"-spirobifluorene,spiro-MeOTAD）作为空穴传输层引入全固态PSCs中。这使得PSCs即使在不封装的情况下放置500小时光电性能也没有明显的下降，同时将PCE提高到了9.7%。spiro-MeOTAD的引入与全固态钙钛矿电池的开发极大地提高了电池的长期稳定性，其PCE也突破了染料敏化太阳能电池的最高效率。自此以后，PSCs作为一种新型太阳能电池开始引起人们的广泛关注。2013年，Grtzel研究小组[24]开发了顺序沉积方法用于钙钛矿薄膜的制备。他们将PbI2沉积在介孔二氧化钛（TiO2）上，再浸入甲胺碘（CH3NH3I）的异丙醇溶液中。与沉积在平板TiO2上不同，在介孔TiO2上沉积的PbI2可以将尺寸限制在22nm，这极大地缩短了反应时间（仅用几十秒即可实现钙钛矿的相转换）并且使PbI2完全反应，最终得到15.0%的PCE（认证效率14.1%）。而对于沉积在平坦表面的PbI2，其晶粒尺寸为50-200nm，这使得反应时间延长到几个小时[25]。同年，Snaith研究小组[26]开发出双源气相沉积薄膜制备工艺，并制备了平整、致密的CH3NH3PbI3-xClx钙钛矿薄膜，使PCE达到15.4%。2014年，Seok研究小组[27]开发了一种溶剂工程技术，通过在旋涂过程中滴加反溶剂甲苯形成了非常均匀且致密的钙钛矿薄膜，还详细地研究了钙钛矿成膜过程的微观机理，并通过调节介孔TiO2层厚度得到了几乎没有回滞的高性能PSCs，其PCE达到了16.5%（认证效率16.2%）。与此同时，Snaith研究小组[28]引入了新型的FA+代替传统的MA+，并对其进行了一系列的表征。他们发现由于带隙下降到1.48eV，?
本文编号：3401031
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
019年太阳能电池中国最高效率图表
第一章绪论3时，钙钛矿结构才相对稳定。当0.89<t<1.00时，钙钛矿的晶体结构为立方相结构；而当1.00<t<1.11时，无机层会被过大的有机层撑开从而形成层状钙钛矿结构；当0.81<t<0.89时，钙钛矿的晶体结构为对称性较低的四方相或者正交相[14]。尽管如此，随着温度升高，钙钛矿结构最终还是会完成向立方相的转变[15]。图1-2AMX3钙钛矿晶胞的球棒模型以及晶胞延伸至三维空间的多面体结构[16]钙钛矿材料由于制备工艺简单，成本低廉，而且具有强烈的光吸收（1.5×104cm1）[17,18]、可调节的光学带隙[19]、较高的载流子迁移率和较长的载流子扩散长度[20,21]，以及浅的缺陷能级[22]等优势，已经成为新能源领域的新宠，受到了科研工作者们的广泛关注。1.3钙钛矿太阳能电池1.3.1钙钛矿太阳能电池的发展历程如图1-3所示，PSCs的光电转换效率（photoelectricconversionefficiency,PCE）在短短10年间获得了飞速的发展。在2009年，Miyasaka研究小组[5]在染料敏化太阳能电池中使用甲胺铅碘（CH3NH3PbI3,MAPbI3）钙钛矿作为光吸收剂材料，使得功率转换效率达到3.81%，但由于稳定性差，所有器件都无法长期工作。
电子科技大学硕士学位论文4图1-3太阳能电池最佳认证效率图表[7]2012年，Park与Grtzel课题组[23]合作，将2,2",7,7"-四(N,N-二对甲氧基苯胺)-9,9"-螺二芴（2,2",7,7"-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)-9,9"-spirobifluorene,spiro-MeOTAD）作为空穴传输层引入全固态PSCs中。这使得PSCs即使在不封装的情况下放置500小时光电性能也没有明显的下降，同时将PCE提高到了9.7%。spiro-MeOTAD的引入与全固态钙钛矿电池的开发极大地提高了电池的长期稳定性，其PCE也突破了染料敏化太阳能电池的最高效率。自此以后，PSCs作为一种新型太阳能电池开始引起人们的广泛关注。2013年，Grtzel研究小组[24]开发了顺序沉积方法用于钙钛矿薄膜的制备。他们将PbI2沉积在介孔二氧化钛（TiO2）上，再浸入甲胺碘（CH3NH3I）的异丙醇溶液中。与沉积在平板TiO2上不同，在介孔TiO2上沉积的PbI2可以将尺寸限制在22nm，这极大地缩短了反应时间（仅用几十秒即可实现钙钛矿的相转换）并且使PbI2完全反应，最终得到15.0%的PCE（认证效率14.1%）。而对于沉积在平坦表面的PbI2，其晶粒尺寸为50-200nm，这使得反应时间延长到几个小时[25]。同年，Snaith研究小组[26]开发出双源气相沉积薄膜制备工艺，并制备了平整、致密的CH3NH3PbI3-xClx钙钛矿薄膜，使PCE达到15.4%。2014年，Seok研究小组[27]开发了一种溶剂工程技术，通过在旋涂过程中滴加反溶剂甲苯形成了非常均匀且致密的钙钛矿薄膜，还详细地研究了钙钛矿成膜过程的微观机理，并通过调节介孔TiO2层厚度得到了几乎没有回滞的高性能PSCs，其PCE达到了16.5%（认证效率16.2%）。与此同时，Snaith研究小组[28]引入了新型的FA+代替传统的MA+，并对其进行了一系列的表征。他们发现由于带隙下降到1.48eV，?
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