有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池制备工艺及光电性能研究

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钙钛矿太阳能电池作为一种新型薄膜太阳能电池,具有制备工艺简单、生产成本低廉以及光电转换效率高等优点。目前,钙钛矿太阳能电池的最高效率已经超过20%,成为最有前景的第三代薄膜太阳能电池。但是,作为一种新材料,仍有许多亟待解决的问题,例如对有机无机杂化钙钛矿材料的基本物理性能研究尚不充分,热稳定性差以及含有环境有害元素铅等问题。针对这些问题,我们主要从以下几方面展开研究:  (1)通过旋涂工艺,以CH3NH3PbI3为光吸收料,制备了钙钛矿太阳能电池,研究了其在可见光辐照下的I-V特性曲线,得到开路电压Voc为0.69V,短路电流密度Jsc为21 mA·cm-2,填充因子FF为0.44,光电器件的转化效率Pmax为6.4%。并利用光学椭偏仪对CH3NH3PbI3薄膜在30~100℃范围内进行原位测试。实验结果表明在30~100℃范围内,CH3NH3PbI3薄膜具有较好的光吸收性质以及较大的介电常数,在70℃的时候发生相变。在FTO衬底上制备了CH3NH3PbI3-xBrx薄膜,研究Br离子其晶体结构和光电性质的影响。在常温下,CH3NH3PbI3-xBrx薄膜属于四方相结构,相对于高温下的立方相,具有较低的对称性。随着Br离子含量的增加,CH3NH3PbI3-xBrx薄膜的光吸收截止边发生蓝移,带隙逐渐变大(从1.55eV,逐渐变大到1.86eV),晶格常数变小,同时介电常数虚部谱也发生蓝移,电子跃迁所需能量也相应增加。  (2)制备出(CH3NH3)3Bi2I9薄膜,其光吸收截止边在572nm,带隙为2.2eV,功函数为532.56mV。通过旋涂工艺制备出了(CH3NH3)3Bi2I9钙钛矿太阳能电池,测试其光伏特性曲线,其开路电压为0.42V,短路电流密度为1.48mA/m2,填充因子为0.25,最大光电转换效率为0.16%。  (3)利用热重差分仪研究(CH3NH3)3Bi2I9材料的热稳定性,(CH3NH3)3Bi2I9薄膜在145℃的时候发生相变,在254℃的时候开始分解,分解成CH3NH3I和BiI3,和CH3NH3PbI3材料相比较,具有较好的热稳定性。同时研究了退火温度对(CH3NH3)3Bi2I9薄膜的结构、形貌和光学性质的影响,实验发现在100~225℃温度范围内退火(CH3NH3)3Bi2I9薄膜结构保持稳定,随着退火温度的升高,表面形貌从棒状结构变成多边形,薄膜致密性也得到提高,在175℃退火下,表面形貌呈完整的多边形,且致密性最好,粗糙度最低。
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