钙钛矿太阳能电池MAPbI3吸收层的制备工艺及性能的优化

来源 :哈尔滨理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:shinmagi
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光电转换效率优良,制作工艺简洁和制备成本低廉的钙钛矿太阳能电池受到科研人员的广泛关注。钙钛矿吸光层是钙钛矿太阳能电池的核心组成部分,其制备方法和成膜过程中的工艺条件以及添加剂的使用,严重影响着钙钛矿层的形貌、晶粒尺寸和分布,孔隙含量和分布,从而制约其构筑电池器件光电转换性能。本论文通过培养钙钛矿CH3NH3Pb I3(简写为MAPb I3)单晶,分别采用一步溶液沉积法和两步顺序浸渍法在氧化钛致密膜构筑钙钛矿吸光层,并构筑平面型钙钛矿太阳能器件。采用紫外可见吸收光谱、XRD、SEM、TEM等表征方法以及光电性能表征分析,主要考察添加剂的引入对钙钛矿薄膜结构及电池器件的光电性能的影响。利用甲胺水溶液和氢碘酸合成了CH3NH3I(MAI)晶体,并与碘化铅(Pb I2)配制的MAPb I3前驱体的γ-丁内脂(GBL)溶液。通过逆温度梯度效应,生长出直径大约在3 mm左右的四方晶系的MAPb I3钙钛矿单晶,且形貌完整。并通过密封放置1年考察,验证了所得单晶具有很好的稳定性。通过在氧化钛致密膜的采用一步溶液沉积法成膜,对比研究发现,钙钛矿前驱液采用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜(DMSO)为混合溶剂,制备的钙钛矿吸光层的晶粒尺寸均匀,且致密。当采用体积比4:1的DMF和DMSO混合溶液获得钙钛矿吸光层组装的电池,表现出较好的光电转换效率为7.52%。研究发现,在旋涂钙钛矿前驱液的过程中,反溶剂氯苯滴加时刻的选择对钙钛矿吸光层的成膜质量产生很大的影响。通过对比氯苯的不同滴加时刻,发现当氯苯的滴加时刻为12 s时,MAPb I3层相对致密且覆盖率较高,晶粒尺寸偏大且排布均匀、并且对应制备完成后得到的钙钛矿太阳能电池器件获得相对较高的效率。采用两步顺序浸渍法,预先在氧化钛致密膜上旋涂添加少量的4-叔丁吡啶(TBP)的Pb I2溶液(DMF和DMSO混合),制备了介孔状的Pb I2层,然后通过对比在MAI的异丙醇溶液浸渍浓度以及浸渍时间。研究发现,当MAI溶液浓度为10 mg/m L,浸渍时间为10 min时,获得粒径均匀,排列致密,无针孔结构的钙钛矿吸光层,其组装的电池获得了较好的效率,为9.98%。
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