鈣鈦礦晶體生長(zhǎng)及形貌控制對(duì)電池性能的影響及機(jī)理研究.pdf

1、從染料敏化太陽(yáng)電池演化而來(lái)的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)電池發(fā)展迅速。自從2009年，經(jīng)過(guò)數(shù)年的發(fā)展，電池性能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了染料敏化太陽(yáng)電池DSSC、有機(jī)電池OPV、聚合物太陽(yáng)電池，接近與商業(yè)化的硅太陽(yáng)電池，成為了當(dāng)今最有發(fā)展前途的光伏技術(shù)之一。目前已認(rèn)證的電池效率已達(dá)到22.1％。作為鈣鈦礦太陽(yáng)電池的核心，光吸收層對(duì)器件最終的性能有至關(guān)重要的影響。在電池器件的制備過(guò)程中，不連續(xù)的、沒(méi)有完全覆蓋的、存在孔隙的薄膜，生長(zhǎng)方向混亂、結(jié)晶度

2、差、內(nèi)部缺陷多、陷阱態(tài)多的鈣鈦礦晶體，導(dǎo)致吸光度變差和光電流、填充因子變小，破壞鈣鈦礦電池的性能。鈣鈦礦材料晶體生長(zhǎng)過(guò)程和薄膜形貌與電池的制備工藝條件、材料及環(huán)境氛圍等息息相關(guān)。優(yōu)化鈣鈦礦薄膜制備工藝、調(diào)控鈣鈦礦晶體生長(zhǎng)與形貌、提高薄膜覆蓋性及均勻性、減少薄膜內(nèi)部缺陷的形成，獲得連續(xù)、無(wú)針孔、覆蓋率高平整度高質(zhì)量鈣鈦礦晶體對(duì)于太陽(yáng)電池性能至關(guān)重要。本論文工作主要聚焦于鈣鈦礦晶體生長(zhǎng)及形貌控制來(lái)提高鈣鈦礦電池器件的效率和穩(wěn)定性。以制備高質(zhì)

3、量鈣鈦礦薄膜為基礎(chǔ)，開(kāi)展一系列研究工作，具體如下:
　　(1)鈣鈦礦帽子層晶體形貌的調(diào)控，通過(guò)弱腐蝕性混合反溶劑配合超干氣流控制帽子層形貌，并誘導(dǎo)低缺陷晶體形成。帽子層厚度在240nm及低缺陷大尺寸鈣鈦礦晶體電池的最優(yōu)電池平均效率為17.57％。我們期望這種方法可以應(yīng)用于不同類型的鈣鈦礦材料制備鈣鈦礦太陽(yáng)電池，為后面的工作打好基礎(chǔ)。
　　(2)鈣鈦礦大顆粒晶體制備。我們開(kāi)發(fā)了一種溫度在220℃退火的快速制備鈣鈦礦太陽(yáng)電池的方

4、法，薄膜會(huì)在15s內(nèi)迅速制備。我們使用(FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15鈣鈦礦前驅(qū)體，通過(guò)高溫退火工藝可以成功制備較大尺寸和定向生長(zhǎng)的鈣鈦礦晶體薄膜。
　　(3)鈣鈦礦表面形貌控制。我們?cè)阝}鈦礦旋涂過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)周?chē)h(huán)境的氛圍溫度，可以有效地抑制表面開(kāi)裂的情況并恢復(fù)鏡面狀的表面形貌。在氛圍溫度為18℃，基于(FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦電池得到了18.46％的最高效率。
　　(

5、4)超平滑鈣鈦礦表面形貌制備。我們近一步對(duì)常規(guī)的反溶劑誘導(dǎo)晶體生長(zhǎng)的方法進(jìn)行了創(chuàng)新性的變革，摸索出一種高度可重復(fù)的控制鈣鈦礦晶體生長(zhǎng)的方法:反溶劑噴涂法(SAP)。當(dāng)反溶劑通過(guò)噴涂的方法落在基底上時(shí)，霧化的溶劑顆粒可以均勻分散，與膜接觸力度更加柔和均勻，減少了沖擊波紋現(xiàn)象，消除了沖擊和離心力造成的鈣鈦礦薄膜的環(huán)缺陷。優(yōu)化噴涂工藝后，光電轉(zhuǎn)換效率由15.34％提高到18.78％?；贔A0.81MA0.15Cs0.025PbI2.5Br0

6、.45為吸光層結(jié)構(gòu)的電池在標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)得的最高效率達(dá)到19.21％，同時(shí)填充因子高達(dá)80.84％。
　　(5)鈣鈦礦層狀晶體的制備，通過(guò)控制晶體的堆疊方式來(lái)提高穩(wěn)定性?；诨旌暇S(MD)鈣鈦礦的吸光層，具有層狀晶體結(jié)構(gòu)，這種源于3D和2D鈣鈦礦的混合維鈣鈦礦，使MD鈣鈦礦電池同時(shí)具有高性能和穩(wěn)定性的特征。我們已經(jīng)成功地制備了[CF3CH2NH2]2(FA0.825MA0.15Cs0.025)29Pb30(I0.85Br0.15)9