高性能有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池的研究.pdf

1、在當今能源匱乏的時代，開展新型太陽能電池的研究對于新能源的開發(fā)和應用具有重要意義。近年來興起的一種新型有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池，因其原材料豐富、制備工藝簡單、成本低廉、輕質(zhì)可折疊等而受到大家的廣泛關(guān)注。目前其效率已經(jīng)達到22.1％，很有希望取代商業(yè)化的晶體硅電池。但是仍然存在很多問題，如許多高效電池是基于正置結(jié)構(gòu)，其中電子傳輸層TiOx往往需要在高溫下制備，空穴傳輸層一般為相當昂貴的2,2',7,7'-四[N，N-二（4-甲氧基苯

2、基）氨基]-9,9'-螺二芴（Spiro-OMeTAD）或聚三芳胺（PTAA），而且制備工藝復雜，也不適合制備到柔性基底上；另一方面，器件的穩(wěn)定性沒有解決，仍然是制約其產(chǎn)業(yè)化的最關(guān)鍵因素。為了解決這些問題，本文是在可通過溶液法、低溫條件下制備的倒置平面結(jié)構(gòu)上開展工作，其中涉及以下幾種體系的鈣鈦礦太陽能電池，傳統(tǒng)的MAPbI3-xClx和MAPbI3體系、帶隙可調(diào)的MAPbI3-xBrx體系以及FAPbI3體系，主要通過器件制備工藝的優(yōu)化

3、、界面修飾和器件結(jié)構(gòu)的設計來提高電池的能量轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。
　　本研究分為四個部分：第一章：介紹了新型太陽能電池研究的必要性和鈣鈦礦太陽能電池的產(chǎn)生背景；緊接著對鈣鈦礦太陽能電池做了系統(tǒng)的介紹，包括其發(fā)展歷史、鈣鈦礦材料及其特性、器件結(jié)構(gòu)和工作機制、器件的工藝技術(shù)、衡量電池性能的主要參數(shù)以及鈣鈦礦太陽能電池的最新進展和發(fā)展趨勢；最后介紹了本論文的主要研究目的和內(nèi)容。第二章：介紹了在課題研究之初所做的一些基礎(chǔ)性工作，包括課題的選取

4、過程；核心原材料碘甲胺（MAI）、溴甲胺（MABr）、碘甲脒（FAI）以及溴甲脒（FABr）的合成；制備鈣鈦礦層制備工藝的探索，包括一步旋涂工藝和快速結(jié)晶法以及表面形貌的控制；標準器件 ITO/PEDOT:PSS/Perovskite/PCBM/Ag性能的優(yōu)化；通過 SEM探索不同條件下鈣鈦礦層表面形貌的變化，通過XRD表征鈣鈦礦層的結(jié)晶狀況，以及通過紫外-可見-近紅外吸收光譜儀表征鈣鈦礦層的吸收特性等。所有這些基礎(chǔ)性工作，為本人以及本

5、組在鈣鈦礦領(lǐng)域的研究奠定了堅實基礎(chǔ)。第三章：基于MAPbI3-xBrx體系的鈣鈦礦太陽能電池，研究了溶液法制備的2,9-二甲基-4,7-聯(lián)苯-1,10-鄰二氮雜菲（BCP）作為陰極界面修飾層對器件性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，溶液法制備的 BCP可以有效提高鈣鈦礦太陽能電池的填充因子，從而提高電池的能量轉(zhuǎn)換效率。我們同時與基于蒸鍍法制備BCP的器件進行了對比，通過SEM、單電子器件和阻抗特性分析發(fā)現(xiàn)，溶液法制備的 BCP表現(xiàn)出更好的界面修飾特性

6、，從而使得器件具有更好的性能。第四章：主要研究基于FAPbI3體系的鈣鈦礦太陽能電池。由于FAPbI3體系比傳統(tǒng)的MAPbI3（或MAPbI3-xClx）體系具有更加優(yōu)越的特性，比如更寬的吸收范圍、更高的相轉(zhuǎn)變溫度以及更好的光穩(wěn)定性等。因此探索和研究 FAPbI3體系的電池對于推進鈣鈦礦太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化進程具有非常重要的意義。在本章中，我們在國際上首次制備出了基于倒置平面結(jié)構(gòu)的 FAPbI3體系的鈣鈦礦太陽能電池，并研究了慢退火過程對

7、器件性能的影響。SEM、穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光和瞬態(tài)光致發(fā)光數(shù)據(jù)表明，慢退火過程更加有助于獲得高質(zhì)量的 FAPbI3鈣鈦礦薄膜，從而有助于獲得高性能 FAPbI3鈣鈦礦電池。我們還與傳統(tǒng)MAPbI3體系的電池進行了對比，發(fā)現(xiàn)FAPbI3體系的電池具有較好的器件性能，尤其是短路電流密度，與FAPbI3體系較寬的吸收范圍特征相吻合。通過優(yōu)化，最終我們獲得了13.56%的能量轉(zhuǎn)換效率，同時器件具有較好的重復性和光穩(wěn)定性。這一工作開創(chuàng)了低溫制備基于倒置平