钙钛矿晶体生长及形貌控制对电池性能的影响及机理研究

发布时间：2017-12-19 09:35

  本文关键词：钙钛矿晶体生长及形貌控制对电池性能的影响及机理研究

  更多相关文章： 钙钛矿太阳电池 帽子层 晶体生长 形貌控制 高温退火 氛围条件 反溶剂喷涂 层状晶体结构 稳定性

【摘要】：从染料敏化太阳电池演化而来的有机-无机杂化异质结钙钛矿太阳电池发展迅速。自从2009年,经过数年的发展,电池性能已经远远超过了染料敏化太阳电池DSSC、有机电池OPV、聚合物太阳电池,接近与商业化的硅太阳电池,成为了当今最有发展前途的光伏技术之一。目前已认证的电池效率已达到22.1%。作为钙钛矿太阳电池的核心,光吸收层对器件最终的性能有至关重要的影响。在电池器件的制备过程中,不连续的、没有完全覆盖的、存在孔隙的薄膜,生长方向混乱、结晶度差、内部缺陷多、陷阱态多的钙钛矿晶体,导致吸光度变差和光电流、填充因子变小,破坏钙钛矿电池的性能。钙钛矿材料晶体生长过程和薄膜形貌与电池的制备工艺条件、材料及环境氛围等息息相关。优化钙钛矿薄膜制备工艺、调控钙钛矿晶体生长与形貌、提高薄膜覆盖性及均匀性、减少薄膜内部缺陷的形成,获得连续、无针孔、覆盖率高平整度高质量钙钛矿晶体对于太阳电池性能至关重要。本论文工作主要聚焦于钙钛矿晶体生长及形貌控制来提高钙钛矿电池器件的效率和稳定性。以制备高质量钙钛矿薄膜为基础,开展一系列研究工作,具体如下:(1)钙钛矿帽子层晶体形貌的调控,通过弱腐蚀性混合反溶剂配合超干气流控制帽子层形貌,并诱导低缺陷晶体形成。帽子层厚度在240nm及低缺陷大尺寸钙钛矿晶体电池的最优电池平均效率为17.57%。我们期望这种方法可以应用于不同类型的钙钛矿材料制备钙钛矿太阳电池,为后面的工作打好基础。(2)钙钛矿大颗粒晶体制备。我们开发了一种温度在220℃退火的快速制备钙钛矿太阳电池的方法,薄膜会在15s内迅速制备。我们使用(FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15钙钛矿前驱体,通过高温退火工艺可以成功制备较大尺寸和定向生长的钙钛矿晶体薄膜。(3)钙钛矿表面形貌控制。我们在钙钛矿旋涂过程中通过调节周围环境的氛围温度,可以有效地抑制表面开裂的情况并恢复镜面状的表面形貌。在氛围温度为18℃,基于(FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15结构的钙钛矿电池得到了 18.46%的最高效率。(4)超平滑钙钛矿表面形貌制备。我们近一步对常规的反溶剂诱导晶体生长的方法进行了创新性的变革,摸索出一种高度可重复的控制钙钛矿晶体生长的方法:反溶剂喷涂法(SAP)。当反溶剂通过喷涂的方法落在基底上时,雾化的溶剂颗粒可以均匀分散,与膜接触力度更加柔和均匀,减少了冲击波纹现象,消除了冲击和离心力造成的钙钛矿薄膜的环缺陷。优化喷涂工艺后,光电转换效率由15.34%提高到18.78%。基于FA0.81MA0.5Cs0.025PbI2.5Br0.45为吸光层结构的电池在标准条件下测得的最高效率达到19.21%,同时填充因子高达80.84%。(5)钙钛矿层状晶体的制备,通过控制晶体的堆叠方式来提高稳定性。基于混合维(MD)钙钛矿的吸光层,具有层状晶体结构,这种源于3D和2D钙钛矿的混合维钙钛矿,使MD钙钛矿电池同时具有高性能和稳定性的特征。我们已经成功地制备了[CF3CH2NH2]2(FA0.825MA0.15Cs0.025)29Pb30(I0.85Br0.15)91 为吸光层的钙钛矿电池,最高得到18.17%PCE。此外,由于疏水三氟乙胺烷基链的疏水作用和层状的结构屏障,使MD钙钛矿具有优良的耐湿性能。通过以上对钙钛矿晶体形貌调控、裂纹的抑制及层状钙钛矿晶体的制备,我们能够在不同环境氛围条件下制备出光滑平整和高覆盖率的薄膜,得到高效稳定的太阳电池。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM914.4

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 ;钙钛矿:新太阳电能电池结晶[J];上海商业;2014年03期

2 冯文,夏正才,袁松柳;锰基钙钛矿多层膜中的层间相互作用[J];低温物理学报;2004年03期

3 张瑞珠;师素娟;;钙钛矿包容核废物致密化工艺参数优化[J];华北水利水电学院学报;2008年03期

4 刘冬梅;李小兵;秦赛;朱明;;双钙钛矿La_2NiMnO_6多晶靶材的制备及结构表征[J];化工时刊;2013年07期

5 张玮皓;彭晓晨;冯晓东;;钙钛矿太阳能电池的研究进展[J];电子元件与材料;2014年08期

6 ;美国研制出环保型钙钛矿太阳能电池[J];中国电力;2014年06期

7 郭丽玲;王谦;徐圣东;刘韩星;;(C_6H_5C_2H_4NH_3)_2Cu_xSn_(1-x)I_(4-x)层状类钙钛矿杂合物的制备与性能[J];武汉理工大学学报;2013年07期

8 郭丽玲;翟晓雪;孙璋;刘韩星;;层状类钙钛矿有机-无机杂合物(C_nH_(2n+1)NH_3)_2SnI_4的第一性原理研究[J];武汉理工大学学报;2013年09期

9 亓淑艳;冯静;郭丽琴;张密林;;钙钛矿La_(0.5)Sr_(0.5)Mn_(1-x)Cr_xO_3的制备与磁性研究[J];武汉理工大学学报;2008年01期

10 郭丽玲;李鹏;刘韩星;;层状类钙钛矿有机-无机杂合物(C_nH_(2n+1)NH_3)_2MCl_4的溶解性研究[J];武汉理工大学学报;2008年03期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 李云龙;孙伟海;卞祖强;黄春辉;;高效的钙钛矿平面异质结太阳能电池研究[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第37分会：能源纳米科学与技术[C];2014年

2 孟庆波;李冬梅;罗艳红;;界面调控与高效率钙钛矿太阳能电池[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第25分会：有机光伏[C];2014年

3 宋嘉兴;姚诗余;田文晶;;平面异质结低温溶液处理钙钛矿太阳能电池[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第25分会：有机光伏[C];2014年

4 杨月勇;肖俊彦;罗艳红;李冬梅;孟庆波;;基于碳电极高效率钙钛矿太阳能电池[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第30分会：低维碳材料[C];2014年

5 肖立新;郑灵灵;马英壮;王树峰;陈志坚;曲波;龚旗煌;;高效杂化钙钛矿光伏器件[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第17分会：光电功能器件[C];2014年

6 顾卓韦;吴刚;陈红征;;溶胶-凝胶法制备氧化锌-钙钛矿平面异质结太阳电池[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第25分会：有机光伏[C];2014年

7 张秋菊;李白海;陈亮;;Pt掺杂的CaTiO_3的自再生机理的计算研究[A];中国化学会第27届学术年会第14分会场摘要集[C];2010年

8 苗君;乔利杰;姜勇;;钙钛矿多铁性氧化物异质结的低疲劳反转、磁电双弛豫、及缺陷调控[A];2012中国功能新材料学术论坛暨第三届全国电磁材料及器件学术会议论文摘要集[C];2012年

9 赵永男;孙振;;锆酸钡中空微球的掺杂及发光性能[A];第十二届固态化学与无机合成学术会议论文摘要集[C];2012年

10 刘代俊;徐程浩;;微波对钙钛矿晶体的基本作用[A];第一届全国化学工程与生物化工年会论文摘要集(上)[C];2004年

中国重要报纸全文数据库 前2条

1 刘霞;钙钛矿材料成为高能效“帮手”[N];中国化工报;2013年

2 常丽君;钙钛矿材料实现电器自充电[N];中国化工报;2014年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 高皓;染料敏化/钙钛矿太阳电池中光吸收层的微纳结构调控研究[D];南京大学;2015年

2 陈奇;钙钛矿半导体中的瞬态物理过程研究[D];南京大学;2016年

3 武其亮;钙钛矿太阳能电池界面层材料及钙钛矿层形貌调控的研究[D];中国科学技术大学;2016年

4 孔伟光;有机—无机杂化钙钛矿的光学特性研究[D];浙江大学;2016年

5 王燕;H_2CaTa_2O_7层间插层修饰、剥离及性能研究[D];中国科学技术大学;2016年

6 徐鸣;有机聚合物及有机—无机杂化钙钛矿太阳能电池的界面优化研究[D];吉林大学;2016年

7 陶洪;基于二氧化钛纳米结构的敏化型太阳能电池的研究[D];武汉大学;2016年

8 张华;高效钙钛矿太阳能电池器件工作机理、界面电荷传输材料、稳定性研究[D];华中科技大学;2016年

9 叶加久;钙钛矿晶体生长及形貌控制对电池性能的影响及机理研究[D];中国科学技术大学;2017年

10 吕龙锋;聚合物太阳能电池与钙钛矿太阳能电池的界面修饰工程[D];北京交通大学;2017年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 王卫卫;聚合物电荷传输材料在钙钛矿太阳能电池中的应用[D];苏州大学;2015年

2 代晓艳;TiO_2致密层与钙钛矿吸收层的制备及其光伏性能[D];合肥工业大学;2015年

3 董庆顺;钙钛矿太阳能电池中电荷收集层的研究[D];大连理工大学;2015年

4 冯明巧;热解ZIF-67在DSCs及钙钛矿太阳能电池中的应用[D];大连理工大学;2015年

5 刘舟;基于钙钛矿的有机无机杂化太阳能电池的制备和性能研究[D];北京化工大学;2015年

6 马中生;有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池中界面缓冲层的研究[D];苏州大学;2015年

7 朱慧敏;异质结型钙钛矿太阳能电池的研究[D];青岛科技大学;2015年

8 尹伟;基于形貌控制和界面修饰的倒装平面异质结钙钛矿太阳能电池的性能研究[D];南京大学;2016年

9 张一帆;钙钛矿电致发光器件的薄膜优化研究[D];吉林大学;2016年

10 蒋紫曜;钙钛矿太阳能电池和聚合物太阳能电池的工艺探索与性能研究[D];华东师范大学;2016年

，

本文编号：1307740