异质结型钙钛矿太阳能电池的研究

【摘要】：有机—无机杂化钙钛矿太阳能电池是太阳能电池研究领域的研究热点,效率已经超过20%,接近晶体硅电池的光电转化效率,而且原料成本低廉、制备工艺简单,显示出广阔的应用前景。现阶段钙钛矿太阳能电池还处于研究阶段,对于太阳能电池钙钛矿材料的研究主要有甲胺铅碘(MAPbI3)和甲脒铅碘(FAPbI3)等,对于钙钛矿太阳能电池的制备工艺、结构优化等很多方面有待进一步深入研究。本论文针对上述问题,深入研究了钙钛矿材料前驱体、溶剂体系、和电子传输层等方面对钙钛矿太阳能电池效率的影响规律。具体内容如下：(1) FAPbI3虽然在光谱吸收和热稳定性方面具有较为明显的优势,但其苛刻的合成条件一直是限制其发展的因素之一,本论文在前驱体控制方面做了初步尝试,首先合成羟碘铅(Pb(OH)I)代替传统的氯化铅(PbCl2)和碘化铅(PbI2)。采用一步溶液法合成FAPbI3。在低温下(150℃)FAPbI3容易形成空间群为P63mc的黄色晶体,加热到160℃时,可以得到钙钛矿晶型的FAPbI3薄膜。钙钛矿FAPbI3的晶体空间群为P3m1,实验测得FAPbI3的带隙宽度为1.475eV,吸收限可达到820 nm。然而,由于FAPbI3钙钛矿薄膜的覆盖率较低,低于90%,所以导致光电转换效率(PCE)仅为6.1%。(2)改善钙钛矿薄膜的均匀性是提高器件PCE的主要途径,文献中通常采用在前驱体溶液中加入固体添加剂的手段实现,如CH3NH3Cl、NH4Cl等。我们发现基于MAPbI3,在DMF溶剂中加入适量的DMSO,同样可达到改善形貌的目的,随着DMSO的量的增多,薄膜的均匀性逐渐提高,但当DMSO的摩尔量超过前驱体溶液中Pb的量时,形貌再次变差,覆盖率变低。最优化的比例关系是MAI: PbI2:DMSO=1:1:1(摩尔比),其原因是DMSO与DMF的共配位作用有利于降低中间相的结晶性,从而提高钙钛矿薄膜的平整性。我们采用混合溶剂的工艺制作了MAPbI3薄膜的介孔钙钛矿太阳能电池,效率达到了11.2%。(3)我们进一步采用TiO2纳米颗粒取代传统的Ti02致密层/TiO2介孔层制备的电子传出层,实现了钙钛矿太阳能电池的低温制备,直接将致密Ti02纳米颗粒的水溶液旋涂于FTO基底上,在150℃条件下加热30 min,然后旋涂钙钛矿和空穴传输层,蒸镀电极,整个制备工艺在150℃以下完成,器件效率达到14.3%。