论文部分内容阅读
钙钛矿太阳能电池由于其制备工艺简单、成本较低、原材料资源丰富、效率高等特点引起众多国内外研究者的关注。目前,钙钛矿太阳能电池发展迅猛,但仍有众多难题尚未有效解决,商业化道路的进展受到限制。其中,制备高效率钙钛矿电池的实验环境较为苛刻,电池的稳定性较差,电池寿命远远不及晶硅太阳能电池,这些都抑制了钙钛矿太阳能电池的发展。研究表明,钙钛矿太阳能电池的性能主要取决于钙钛矿薄膜的质量,薄膜覆盖率高、晶粒较大、缺陷较少的钙钛矿薄膜是制备高性能电池的必要条件之一。基于此,本文从提高钙钛矿薄膜质量、改善器件稳定性以及延长电池使用寿命为切入点,通过优化电池制备工艺,加入添加剂和反溶剂改善钙钛矿薄膜的质量,从而达到提升电池效率,改善电池稳定性的目的,并且创造性地提出冰冻处理方法提升电池效率和使用寿命,并对内在机理进行了研究。得出主要结论如下:（1）在空气中采用两步法制备钙钛矿薄膜,研究PbI2薄膜制备工艺对CH3NH3PbI3薄膜和电池性能的影响。研究发现,PbI2浓度过低时,CH3NH3PbI3薄膜的覆盖率不高,PbI2浓度过大时,薄膜晶粒细小、晶界过多;PbI2退火温度过低,DMF溶剂残余量多,抑制CH3NH3PbI3薄膜生成,PbI2退火温度过高,CH3NH3PbI3薄膜被分解;随着PbI2退火时间的增加,电池效率先升高后降低。当PbI2浓度为1M,退火温度为130oC,退火时间为15 min时,电池的效率最高,达8.93%。（2）在最佳PbI2薄膜制备工艺的基础上,加入水作为PbI2溶液的添加剂,研究水含量对电池性能的影响。研究表明,过量的水会抑制CH3NH3PbI3的生成,并分解已生成的CH3NH3PbI3,使得薄膜覆盖率低,结晶性差,电荷传输性能下降;而加入微量的水可以提高CH3NH3PbI3薄膜的成膜性能,并提高电池的光电性能。当水含量为2%时,获得最优的CH3NH3PbI3薄膜和电池光电性能,此时电池的串联电阻仅有73Ω,光电转换效率为10.2%。（3）本文采用两步法制备钙钛矿太阳能电池,研究了PEG加入对钙钛矿薄膜质量及器件自修复性能的影响,同时优化了PEG浓度、CH3NH3PbI3退火温度和退火时间等工艺参数。研究表明:PEG作为添加剂,延缓了CH3NH3PbI3的反应速率,获得表面覆盖率高,致密性良好,晶粒均匀的CH3NH3PbI3薄膜。在高湿度环境中,加入PEG的电池具有自修复能力,电池效率从9.50%下降到6.9%,维持了73%的原始效率,相比于未加PEG的电池有较大的提升。此外,加入PEG制备的电池具有较低的电池效率衰减能力,在空气中保存30天后,能够维持原始效率的75%,远高于未加PEG的电池。当CH3NH3I和PEG的摩尔比为100:0.5,90oC退火45min时,制备出具有最佳性能参数的钙钛矿太阳能电池,电池效率从6.4%提高到11.1%。（4）在旋涂过程中滴加氯苯反溶剂后,PbI2薄膜快速形成具有一定孔洞的结构,促进CH3NH3PbI3薄膜的生成,降低了残余PbI2量。经过反溶剂处理后制备的钙钛矿太阳能电池,拥有较低的暗电流和稳态荧光光强,对不同波长可见光的吸光能力有所提升,光生载流子的数量增多,电子与空穴的复合程度减小,电池效率从7.75%提升至10.45%,且在空气中保存,电池效率的衰减速度较缓慢。（5）揭示了冰冻处理诱发电池效率提升的内在因素和外在条件。效率提升的两大因素是封存环境湿度和冰冻温度,电池需要在相对湿度为30%条件下进行封存,并且放入-18oC的冰箱中冰冻24h,取出后待电池温度回升至室温后,测试电池的光电性能。研究表明,经过冰冻处理后,电池内部的界面接触得到改善,主要是TiO2和CH3NH3PbI3界面处的缺陷减少,导致电池内部电荷传输性能得到增强,开路电压从0.93V提升至0.96V,填充因子从49%提升至53%,效率从8.34%提升至9.23%,是原始效率10.85%的85%。对同一个电池可以进行多次冰冻处理,电池效率从8%下降到6%的过程中,电池寿命从16天延长至47天。