论文部分内容阅读
得益于钙钛矿一系列优异的光电性质,钙钛矿太阳电池得到了众多关注并在短短数年获得了极快的发展。目前,小面积钙钛矿太阳电池效率提升至23.7%,迅速接近其理论计算值31%,但大面积钙钛矿太阳电池及其组件效率仍然较低。为了尽早实现钙钛矿太阳电池的商业化应用,越来越多的研究者开始关注制备高效的大面积钙钛矿太阳电池及组件。本文中将从三方面进行论述,具体内容如下:（1）本文提出一种简单且有效的修复两步法制得钙钛矿薄膜非辐射缺陷的方法,即甲脒碘（FAI,formamidinium iodide）异丙醇（IPA）溶液修复技术。经过系统性研究发现,FAI和IPA的共同作用对修复钙钛矿薄膜非辐射缺陷和提升器件效率至关重要。通过电子扫描显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）表征发现,FAI或IPA后处理未对钙钛矿薄膜晶粒尺寸产生显著影响,但纯IPA处理在清洗未反应FAI离子,减少表面悬挂键的同时,也导致钙钛矿薄膜表面产生过多碘化铅残留;IPA中添加少量FAI可以逐渐减少碘化铅残留量,并修复钙钛矿薄膜表面的离子空位缺陷或平衡表面钙钛矿薄膜的化学计量比。通过时间分辨光致荧光光谱（TRPL）结果表明处理过的钙钛矿薄膜载流子寿命明显增长,在1 mg/ml FAI添加量时达到最优的301 ns,是未处理样品载流子寿命的1.8倍。同时,光致荧光光谱（PL）和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）测试结果进一步直观地验证了钙钛矿薄膜表面缺陷显著降低的事实,并发现缺陷主要聚集在晶界处,且最佳FAI添加浓度为1mg/ml。通过空间电荷限制电流（SCLC）分析证实,1 mg/ml FAI浓度溶液处理的钙钛矿薄膜内缺陷态密度最低,为1.72×1016cm-3。通过器件性能对比得知,处理过的电池其短路电流密度和填充因子有明显提升,使最好电池（基于1 mg/ml FAI浓度）达到20.66%的光电转化效率,且电池稳定性比未处理的和纯IPA处理的电池稳定性有显著提升。本文还讨论了IPA和FAI修复钙钛矿薄膜表面缺陷的机制,以及碘化铅残余对电池效率和稳定性的影响。（2）本文提出在钙钛矿前驱体溶液中加醋酸甲胺（MAAc）可有效地避免反溶剂的使用,从而简化大面积钙钛矿太阳电池制备工艺。在应用该溶液基础上,我们提出一种制备高质量钙钛矿薄膜的新型槽棒辊涂技术。通过系列实验发现,本实验中获得高质量的大面积钙钛矿吸收层的最佳条件是6μm的槽深和1.1 M浓度的钙钛矿溶液。SEM和XRD表征发现较低浓度的钙钛矿前驱体溶液只能获得较小晶粒尺寸（300-400 nm）,而较高浓度前驱体溶液获得尺寸较大,但大小不一,最终发现1.1 M浓度是可以获得钙钛矿薄膜平均晶粒尺寸在594 nm左右,大小均匀,且晶格主峰从（110）转移至（224）。同时,TRPL测得最优钙钛矿薄膜与二氧化锡电子传输层界面电荷抽取寿命为60.8 ns和体寿命为140.6 ns。基于槽棒辊涂法制备的钙钛矿太阳电池表现15.26%的电池效率,可以媲美传统旋涂法制备的电池效率15.76%。最后,基于全辊涂法的电子传输层（SnO2）,钙钛矿吸收层和空穴传输层（spiro-OMeTAD）,我们获得了电池效率为12.34%钙钛矿太阳电池,该电池效率是目前基于全辊涂工艺的最高效率之一。综上所述,槽棒辊涂法可以作为未来大面积钙钛矿太阳电池商业化应用中一种简单可行的有效技术方案。（3）本文首先通过理论计算获得不同大面积钙钛矿太阳电池制备技术的物料使用率,发现辊涂法是各技术方案中原料利用率中较高的技术方案之一,是传统旋涂法原料利用率的23倍;另外,辊涂法具有生产高效性,辊涂法制备100cm2大面积钙钛矿薄膜只需2-3秒,依据实验中10-50 mm/s的涂布速度,使用400 mm长的辊棒,最高量产效率可达72 m2/h;辊涂法所制薄膜均一,实验验证了辊涂法制备的大面积钙钛矿薄膜及不同区域电池性能的均一性;最后,采用两步旋涂法和辊涂法分别制备了有效面积为0.1 cm2、0.24 cm2、1.0 cm2、4.0 cm2和10.24 cm2的钙钛矿太阳电池,对比两种工艺下的电池器件表现,以辊涂法为例,辊涂法制备的0.1 cm2电池,效率达到15.23%,而当器件有效面积增至10.24 cm2时,电池只有2.13%的光电转换效率。因此,我们初步得出了器件有效面积对电池性能影响的结论:串联电阻的快速增长极大的影响到大面积钙钛矿太阳电池中的载流子横向传输和收集,导致电池填充因子和效率极速恶化。