高质量CsPbBr3钙钛矿薄膜制备及性能研究

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近几年,钙钛矿太阳能电池具有优异的光电特性、低廉的制备成本、高效的转换效率,已成为该领域的研究前沿。由于纯无机CsPbBr3钙钛矿在恶劣环境下具有优异的稳定性,逐渐成为人们研究的热点。制备高质量的CsPbBr3薄膜,是制备高效率太阳能电池的关键。目前,CsPbBr3全无机钙钛矿电池器件通过加入电子传输层和空穴传输层已被报道可实现10.91%的效率。尽管对CsPbBr3钙钛矿的研究取得了长足发展,但在制备的过程中使用有毒溶剂,对人的身体和环境都造成了危害,阻碍了其进一步发展。本文基于微滴对CsPbBr3晶体生长的观察,了解了其生长机制,从而进一步开发了一条基于绿色溶剂制备高质量钙钛矿薄膜的技术路线。本文首先设计了一种基于微滴原位观察的装置,首先在FTO/TiO2基底上沉积一层Pb Br2薄膜,而后在其上注射不同浓度的Cs Br水溶液,对其原位实时观察。最终析出的晶体形貌随着Cs Br浓度的改变而变化。在低浓度时,析出实心的四方晶型为富Pb的Cs Pb2Br5相。在高浓度时,析出菱面体结构的富Cs的Cs4Pb Br6相。揭示了CsPbBr3晶体的生长机制,为后续研究提供了新的思路。接着采用绿色溶剂PEG+GBL(体积比6:4)代替有毒溶剂DMF和DMSO等作为Pb Br2的溶剂,通过旋涂沉积得到了Pb Br2·x PEG的配合物,制备出具有针孔的Pb Br2薄膜,加快了其向钙钛矿的转变。同时,由于水对Pb Br2和Cs Br的溶解度存在巨大差异,避免了水对Pb Br2薄膜的破坏,选择水作为Cs Br的溶剂,成功制备出高质量的CsPbBr3薄膜。进一步构建了FTO/c-TiO2/m-TiO2/CsPbBr3/Carbon结构的太阳能电池。最后本文采用全水溶液代替有毒有机溶剂制备出全无机钙钛矿薄膜的绿色路线,首先第一步旋涂选用HBr水溶液作为Pb Br2的溶剂,使用少量PEG进行调节,得到大面积连续均匀的Pb Br2薄膜。第二步仍采用水作为Cs Br溶剂,成功制备出大晶粒连续致密的钙钛矿薄膜。PEG不但提高HBr水溶液的粘度,而且间接影响CsPbBr3晶粒的大小,随着添加PEG量的提高,钙钛矿晶粒先增大后减小。归因于PEG可以减缓溶剂挥发,延长结晶过程,但高浓度的PEG会使Pb Br2形貌变差,导致钙钛矿晶粒减小。此外,构建的FTO/c-TiO2/m-TiO2/CsPbBr3/Carbon结构的太阳能电池效率达到了7.19%,在空气环境下放置24天后仍能保持最高效率的95%以上。
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