無鉛CsSnI3鈣鈦礦薄膜制備、物性研究及太陽能電池器件應(yīng)用.pdf

1、近五年，以有機(jī)鹵素鉛系（如：CH3NH3PbX3，其中 X=I, Br, Cl）鈣鈦礦材料為吸光層的太陽能電池已成為效率提升最迅速的一類新型電池（簡(jiǎn)稱鈣鈦礦電池 PSC），效率已突破20％。目前多數(shù)課題組將研究的焦點(diǎn)集中在鉛系鈣鈦礦吸光層材料的制備工藝、電池穩(wěn)定性及商業(yè)化所需大面積器件開發(fā)方面。然而，該類材料含有毒鉛元素，是其固有缺陷。因此，尋找一種可替代的、無鉛鈣鈦礦太陽能電池光吸收材料顯得尤為重要。
　　本論文以無機(jī)、無鉛Cs

2、-Sn-I系鈣鈦礦薄膜制備、物理性質(zhì)及其用作太陽能電池吸光層性能研究為主要內(nèi)容，綜合利用真空熱蒸發(fā)鍍膜技術(shù)及溶液反應(yīng)成膜技術(shù)，制備了B-γ-CsSnI3及其衍生結(jié)構(gòu)Cs2SnI6鈣鈦礦薄膜，研究了兩類薄膜的物相穩(wěn)定性及各自半導(dǎo)體性能，并初步探索了將兩者作為吸光層應(yīng)用到平面N-i-P型及介孔型鈣鈦礦太陽能電池中的光伏性能。主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下：
　　1.利用兩步真空沉積反應(yīng)法制備了B-γ-CsSnI3薄膜，并研究了其光學(xué)、電學(xué)性能

3、。以高純度CsI與SnI2為蒸發(fā)原料，研究了真空熱蒸發(fā)沉積條件（如蒸發(fā)速率、沉積次序等）及后續(xù)固相反應(yīng)溫度，對(duì)B-γ-CsSnI3薄膜生長及光學(xué)、電學(xué)性能的影響。通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)獲得了光吸收系數(shù)高（~104 cm-1）、帶隙為1.4 eV的無鉛B-γ-CsSnI3薄膜，霍爾測(cè)試表明，該薄膜為p型半導(dǎo)體，載流子濃度為低（~6.6×1018 cm-3），但遷移率相對(duì)較高（~120 cm2 V-1 s-1），適合用作鈣鈦礦太陽能電池的光吸收層

4、。
　　2.研究了B-γ-CsSnI3薄膜在空氣中的穩(wěn)定性及其相變機(jī)理。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著在空氣中暴露時(shí)間增長，CsSnI3薄膜由黑色（對(duì)應(yīng) Black-γ相）變?yōu)辄S色（對(duì)應(yīng) Yellow相），最終又變?yōu)楹谏ㄐ孪?Cs2SnI6）且光吸收性能發(fā)生藍(lán)移。XRD研究表明，B-γ-CsSnI3薄膜在空氣中相變不可逆，最終轉(zhuǎn)化為 Cs2SnI6薄膜，這是由于二價(jià) Sn2+極易在空氣中被氧化為Sn4+所導(dǎo)致。光致發(fā)光譜進(jìn)一步表明，Cs2SnI

5、6是直接帶隙半導(dǎo)體，帶隙為1.48 eV。
　　3.對(duì)比研究了B-γ-CsSnI3及Cs2SnI6薄膜用作平面N-i-P型鈣鈦礦太陽能電池吸光層性能。以 TiO2致密薄膜為電子傳輸層材料，組裝了具有 FTO/TiO2/無機(jī)鈣鈦礦薄膜/HTM/金屬電極結(jié)構(gòu)的平面鈣鈦礦電池，獲得了平面 N-i-P型電池器件的制備工藝。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在空氣中用作吸光層時(shí)，Cs2SnI6仍比B-γ-CsSnI3穩(wěn)定，通過優(yōu)化薄膜生長溫度及厚度，電池表現(xiàn)出較好

6、的光伏性能，初步獲得最高電池光電轉(zhuǎn)化效率為~1%，這是文獻(xiàn)中首次把Cs2SnI6用作電池吸光層的報(bào)道。
　　4.以氧化鋅納米棒陣列為電子傳輸層，對(duì)比研究了無鉛Cs2SnI6及含鉛CH3NH3PbI3介孔型薄膜鈣鈦礦太陽能電池性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):（1）即使選取相同的光吸收層，采用脈沖激光沉積（PLD）法、溶膠-凝膠（sol-gel）法制備的氧化鋅籽晶層形貌不同，影響ZnO納米棒陣列的生長，進(jìn)而影響電池性能。PLD-ZnO籽晶層表面形貌最

7、佳，可以更有效抑制光生載流子復(fù)合，提高電池效率；（2）CH3NH3PbI3沉積在ZnO納米棒表面，進(jìn)行退火處理時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其分解為PbI2。利用CdS作鈍化層，形成ZnO/CdS芯殼結(jié)構(gòu)，可以有效避免CH3NH3PbI3與ZnO表面的直接接觸，防止其分解。80℃退火30 min，可使鈣鈦礦晶粒長大，減少晶界及界面電子傳輸電阻，增大開路電壓，進(jìn)而獲得高的電池效率。（3）CH3NH3PbI3與Cs2SnI6兩種薄膜在介孔型鈣鈦礦電池中分別用作