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CH_3NH_3PbI_3薄膜的制备及钙钛矿太阳电池的光伏性能研究

李发明  
【摘要】:钙钛矿太阳电池(Perovskite solar cells:PSCs)是从传统染料敏化太阳电池体系中衍生出的一种新型太阳电池。其得名源自电池中的重要光吸收材料CH3NH3PbX3(X=I, Br, C1)金属卤化物具有钙钛矿型晶体结构。其中CH3NH3PbI3禁带宽度窄,光吸收系数高,辐射效率好,光子可循环,光生激子束缚能相对较低,载流子迁移率高且扩散距离长,具有双极性电荷传输等重要特性,使其迅速成为新型太阳电池中的热点研究材料之一。然而,在PSCs发展之初,光吸收层的成膜性问题一直是阻碍器件性能提升的关键。因而制备结晶度高、晶粒致密堆积且晶界能垂直基底的钙钛矿薄膜成为本领域研究的重要工作和挑战。本文紧跟国际前沿发展,从晶体生长的反应动力学角度出发,深入探讨了反应驱动力在钙钛矿薄膜的成核、生长等结晶过程的作用。最终,通过微结构调控大幅地提升了太阳电池的光电转换效率(Power conversion efficiency:PCE),为钙钛矿太阳电池效率的进一步提高以及器件机理研究提供了基础。本文主要完成了以下三方面研究工作:1.在一步旋涂制备钙钛矿薄膜过程中,成核过程对环境湿度的要求条件极其苛刻。为了克服环境湿度的影响,两步连续沉积方法被成功引入并且有效地改善了薄膜覆盖度,使得太阳电池的PCE有了显著提升。然而连续沉积制备的薄膜还存在一些问题,比如表面粗糙度较大,晶粒之间有明显的孔洞等会导致器件部分短路,从而降低太阳电池的开路电压(Voc)。我们借鉴固-液反应模型,从反应驱动力角度考虑,讨论了浸泡预湿处理在反应过程中的作用,并且建立了浓度梯度扩散模型,分析了预湿过程中CH3NH3I可与Pbl2快速彻底反应的原因。此外,讨论了CH3NH3I异丙醇溶液的反应浓度,反应温度等对钙钛矿薄膜微结构的影响。实验结果发现通过浸泡预湿处理,反应浓度为10 mg/mL,反应温度为50℃反应时间1 min可得到均匀致密的薄膜,PCE达到12.1%左右。2.连续沉积虽然克服了一步旋涂成膜过程中晶体岛状生长带来覆盖度低的劣势,但是此方法自身也有明显的一些缺陷,例如薄膜粗糙度大(~100 nm)、晶界孔隙率高,晶粒小且晶界多等,这些问题一方面导致漏电几率增高,另一方面使得非辐射复合增强。我们通过控制CH3NH3I异丙醇与Pbl2反应过程,根据固-液生长原理以及浓度梯度扩散模型,引入喷雾辅助生长方法,成功制备了表面平整且晶粒间无孔洞的钙钛矿薄膜。薄膜最佳粗糙度约16 nm,相对于连续沉积方法降低了至少5倍。此外,系统的研究了浸泡、旋涂以及喷雾预湿方法对Pbl2薄膜形貌的影响,通过扫描电子显微镜图像研究发现喷涂预湿由于气压的驱动力加速了Pbl2与CH3NH3I异丙醇溶液反应过程,从而造成部分小孔,这为Pbl2薄膜快速完全的反应提供了基础。在此基础之上,通过预湿的溶剂量以及退火温度与时间的调控,实现了薄膜大晶粒晶与界垂直基底生长。光电转换效率分析结果表明:喷雾辅助最优PCE在介孔与平面结构的太阳电池中分别为14.2%和14.5%。3.激光辐照技术已被广泛用于晶化无机半导体、金属材料及其氧化物、硒化物、硫化物以及超导材料中。探索实现金属有机卤化物钙钛矿材料的激光辐照晶化,不仅可进一步拓宽此技术的应用范围,而且对于认识金属有机钙钛矿材料的晶化过程,实现高质量薄膜的制备具有重要的科学意义。鉴于此,激光辐照作为一种快速晶化的方法,被成功引入并制备出均匀致密的CH3NH3PbI3薄膜。通过激光功率调节可以明显观察到薄膜结晶质量和光吸收率规律性的变化。通过激光辐照晶化制备的CH3NH3PbI3薄膜,其太阳电池器件显示最优PCE为17.8%,Voc达到1.146 V。与热退火相比较发现,激光晶化制备的器件平均Voc提高了32mV。X射线光电子能谱以及电化学阻抗谱分析发现:由于激光辐照过程中,热梯度分布使得在薄膜表面形成适量Pbl2,其有效钝化了CH3NH3PbI3表面缺陷,从而抑制了非辐射复合,使得平均Voc提高。最高Voc为1.146V,与理论得到的CH3NH3PbI3基PSCs最高Voc(1.33V)相差仅0.19 V。


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