论文部分内容阅读
自2009年CH3NH3PbI3作为太阳能电池吸光材料被报道以来,钙钛矿太阳能电池已经取得了飞快的进步,理论探索和工艺制备获得了长足的发展。如何实现进一步的跨越,加快钙钛矿太阳能电池的产业化进程,还有很多科学问题需要解决,其中高质量钙钛矿薄膜的制备工艺显得尤为重要。针对目前存在的问题,本论文开展钙钛矿薄膜晶体生长、材料能级调控、薄膜结构设计以及大面积器件开发等科学问题的研究,通过材料制备、性能结构表征、器件设计组装、效能评价测试,研究薄膜制备优化条件对器件光伏性能的影响,进一步研究钙钛矿薄膜电子传输动力学、界面匹配、能级匹配和结构匹配等科学规律,获得较好的进展,主要研究内容和结果如下:（1）开发三步旋涂法制备优质钙钛矿薄膜。采用异丙醇溶剂处理PbI2液膜而非传统的加热退火处理,获得了具有可控形貌和结晶度的巨石阵结构PbI2薄膜,为CH3NH3I的渗透提供了足够的通道和空间,保证了PbI2向钙钛矿的完全转化,最高获得了17.84%的光电转换效率。（2）提出使用环境友好型醇类溶剂浴法制备高质量钙钛矿薄膜,解决使用不良溶剂（乙醚、氯苯、甲苯等）带来的毒性问题。探索了不同类型溶剂浴中钙钛矿薄膜的生长机理,研究溶剂浴成膜方式对器件光伏性能的影响,以及电子传输动力学的作用机制。（3）通过控制钙钛矿前驱液中强配位剂二亚甲砜（DMSO）的含量,研究一步旋涂滴加反溶剂法制备钙钛矿薄膜的成膜机理,研究了中间配合物对于薄膜结晶及器件重现性的影响。调控二亚甲砜（DMSO）含量,拓宽滴加乙醚的工作窗口时间,获得高质量的钙钛矿薄膜。（4）研究杂化钙钛矿（CH3NH3PbI3-xBrx）薄膜的生长机理,通过控制I-Br的掺杂比例,研究溴化甲胺（CH3NH3Br）对杂化钙钛矿薄膜晶体形貌的影响,研究了钙钛矿材料的能级结构以及太阳能电池中电子传输动力学的微观机理。由于Br的引入,拓宽了钙钛矿材料的能级,提升了器件的开路电压,提高TiO2/钙钛矿层界面的电子提取能力。（5）基于功能梯度结构设计,将Spiro-OMeTAD空穴传输材料以梯度变化的形式分散于钙钛矿薄膜中。通过能量色散X射线光谱仪（EDX）和二次离子质谱（SIMS）证实了梯度结构的存在,研究载流子传输及复合动力学,分析梯度结构的作用机理,最终获得18.84%的光电转换效率。（6）通过一步旋涂滴加反溶液法和正丁醇溶剂浴法制备大面积钙钛矿太阳能电池,比较多种大面积钙钛矿太阳能电池的光电性能,研究两种制备方法在不同尺寸下的适用性。一步旋涂滴加反溶液法仅适用于制备小面积高效钙钛矿太阳能电池;正丁醇溶剂浴法可以制备大面积高质量钙钛矿薄膜,制备的10×10 cm2钙钛矿薄膜具有良好的“镜面”效果。