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钙钛矿晶体生长及形貌控制对电池性能的影响及机理研究

叶加久  
【摘要】:从染料敏化太阳电池演化而来的有机-无机杂化异质结钙钛矿太阳电池发展迅速。自从2009年,经过数年的发展,电池性能已经远远超过了染料敏化太阳电池DSSC、有机电池OPV、聚合物太阳电池,接近与商业化的硅太阳电池,成为了当今最有发展前途的光伏技术之一。目前已认证的电池效率已达到22.1%。作为钙钛矿太阳电池的核心,光吸收层对器件最终的性能有至关重要的影响。在电池器件的制备过程中,不连续的、没有完全覆盖的、存在孔隙的薄膜,生长方向混乱、结晶度差、内部缺陷多、陷阱态多的钙钛矿晶体,导致吸光度变差和光电流、填充因子变小,破坏钙钛矿电池的性能。钙钛矿材料晶体生长过程和薄膜形貌与电池的制备工艺条件、材料及环境氛围等息息相关。优化钙钛矿薄膜制备工艺、调控钙钛矿晶体生长与形貌、提高薄膜覆盖性及均匀性、减少薄膜内部缺陷的形成,获得连续、无针孔、覆盖率高平整度高质量钙钛矿晶体对于太阳电池性能至关重要。本论文工作主要聚焦于钙钛矿晶体生长及形貌控制来提高钙钛矿电池器件的效率和稳定性。以制备高质量钙钛矿薄膜为基础,开展一系列研究工作,具体如下:(1)钙钛矿帽子层晶体形貌的调控,通过弱腐蚀性混合反溶剂配合超干气流控制帽子层形貌,并诱导低缺陷晶体形成。帽子层厚度在240nm及低缺陷大尺寸钙钛矿晶体电池的最优电池平均效率为17.57%。我们期望这种方法可以应用于不同类型的钙钛矿材料制备钙钛矿太阳电池,为后面的工作打好基础。(2)钙钛矿大颗粒晶体制备。我们开发了一种温度在220℃退火的快速制备钙钛矿太阳电池的方法,薄膜会在15s内迅速制备。我们使用(FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15钙钛矿前驱体,通过高温退火工艺可以成功制备较大尺寸和定向生长的钙钛矿晶体薄膜。(3)钙钛矿表面形貌控制。我们在钙钛矿旋涂过程中通过调节周围环境的氛围温度,可以有效地抑制表面开裂的情况并恢复镜面状的表面形貌。在氛围温度为18℃,基于(FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15结构的钙钛矿电池得到了 18.46%的最高效率。(4)超平滑钙钛矿表面形貌制备。我们近一步对常规的反溶剂诱导晶体生长的方法进行了创新性的变革,摸索出一种高度可重复的控制钙钛矿晶体生长的方法:反溶剂喷涂法(SAP)。当反溶剂通过喷涂的方法落在基底上时,雾化的溶剂颗粒可以均匀分散,与膜接触力度更加柔和均匀,减少了冲击波纹现象,消除了冲击和离心力造成的钙钛矿薄膜的环缺陷。优化喷涂工艺后,光电转换效率由15.34%提高到18.78%。基于FA0.81MA0.5Cs0.025PbI2.5Br0.45为吸光层结构的电池在标准条件下测得的最高效率达到19.21%,同时填充因子高达80.84%。(5)钙钛矿层状晶体的制备,通过控制晶体的堆叠方式来提高稳定性。基于混合维(MD)钙钛矿的吸光层,具有层状晶体结构,这种源于3D和2D钙钛矿的混合维钙钛矿,使MD钙钛矿电池同时具有高性能和稳定性的特征。我们已经成功地制备了[CF3CH2NH2]2(FA0.825MA0.15Cs0.025)29Pb30(I0.85Br0.15)91 为吸光层的钙钛矿电池,最高得到18.17%PCE。此外,由于疏水三氟乙胺烷基链的疏水作用和层状的结构屏障,使MD钙钛矿具有优良的耐湿性能。通过以上对钙钛矿晶体形貌调控、裂纹的抑制及层状钙钛矿晶体的制备,我们能够在不同环境氛围条件下制备出光滑平整和高覆盖率的薄膜,得到高效稳定的太阳电池。


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