【摘 要】
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有机-无机卤化物钙钛矿材料具有光吸收性能优越、缺陷密度低等优势,由其制备的钙钛矿太阳能电池已经成为了近几年光伏界的新宠。在十几年的发展时间里,其光电转换效率已经达到了25.5%,可以与目前主流的晶硅太阳能电池相媲美。然而,这是由旋涂法制备的小面积器件,无法大规模生产。因此,钙钛矿电池器件的放大制备是其商业化发展过程中的重要一环。自2015年刮涂法制备钙钛矿薄膜报道以来,这被认为是一种低成本、可放大
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有机-无机卤化物钙钛矿材料具有光吸收性能优越、缺陷密度低等优势,由其制备的钙钛矿太阳能电池已经成为了近几年光伏界的新宠。在十几年的发展时间里,其光电转换效率已经达到了25.5%,可以与目前主流的晶硅太阳能电池相媲美。然而,这是由旋涂法制备的小面积器件,无法大规模生产。因此,钙钛矿电池器件的放大制备是其商业化发展过程中的重要一环。自2015年刮涂法制备钙钛矿薄膜报道以来,这被认为是一种低成本、可放大的制膜技术,在最近几年受到了研究者们的广泛认可。通过对先前文献的研究,我们发现大多数对刮涂法的报道是以甲胺（MA）为主导的体系,对更稳定、高效的甲脒（FA）体系的研究较少。这主要在于FA体系钙钛矿成核结晶较难控制,获得的薄膜质量不佳。有鉴于此,本论文通过添加剂及组分工程调控一步法刮涂时FA体系钙钛矿的成核结晶,提升薄膜质量,优化提升器件性能和稳定性。同时,对甲脒基钙钛矿光伏组件的制备进行了探索研究,为钙钛矿太阳能电池的商业化发展提供了参考。本论文的主要研究内容如下:（1）通过在Cs0.15FA0.85Pb(I0.85Br0.15)3钙钛矿前驱液中引入氯化甲胺（MACl）和路易斯碱添加剂N,N’-二甲基丙烯脲（DMPU）,探究MACl辅助下DMPU添加剂不同掺杂量对于钙钛矿薄膜形貌及器件性能的影响。少量DMPU的加入能够降低表面张力,促进钙钛矿成核。通过SEM表征证明,DMPU引入后,钙钛矿的晶粒尺寸从最初的400 nm增加至670 nm。同时,XRD测试发现,薄膜的结晶性也较之前提升了2.79倍。与原始器件相比,掺杂后的电池器件效率从10.59%显著提升至19.94%,这主要归功于薄膜形貌质量和钙钛矿晶粒结晶性的提高。此外,未封装器件表现出良好的存储和50℃热稳定性。在室内环境和50℃下放置1000 h和500 h,其转换效率仍能分别保持初始效率的90%和80%以上。（2）虽然DMPU/MACl添加剂提升了Cs0.15FA0.85Pb(I0.85Br0.15)3钙钛矿薄膜质量,但MA组分的存在会影响器件的稳定性,而Br的存在会增加带宽,影响效率。为了制备MA-free的纯碘钙钛矿器件,首先通过对不同溶剂,包括DMF、DMSO和NMP,进行筛选,确定了一步刮涂制备致密Cs0.15FA0.85Pb I3钙钛矿薄膜的最佳溶剂。我们再引入氯化铅（Pb Cl2）,提高了晶粒尺寸和薄膜的结晶性,抑制了薄膜内的非辐射复合。当钙钛矿前驱液中加入10%Pb Cl2时,相应的电池器件具备最佳的光电转换性能,其转换效率高达21.23%,180 s内的稳态输出效率为20.23%。未封装器件在70℃下表现出良好的热稳定性,存放600 h后其转换效率仍能保持初始值的80%左右。（3）随着电池器件面积增加,效率损失严重,这是其商业化发展中的一大障碍。主要在于大面积钙钛矿活性层的质量和均匀性较难控制。因此,我们基于前一部分的研究,优化了工艺参数用于制备大面积钙钛矿薄膜。经SEM表征发现,薄膜不同区域的厚度以及形貌质量差异较小。原子力显微镜（AFM）对薄膜的表面粗糙度进行表征,发现薄膜表面光滑,平均粗糙度较低,仅为17.32 nm。相关物理分析也表明,薄膜内的缺陷数量和非辐射复合均得到了有效控制。我们制备的6条子电池串联的组件,有效面积为10.0 cm~2,取得了19.05%的效率。对于有效面积为65 cm~2的11×11 cm~2组件,光电转换效率达到16.75%。此外,对未封装的5×5 cm~2组件进行存储稳定性测试,室内环境下存放1000 h后,效率衰减缓慢,仍能达到初始值的90%。
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