連續(xù)沉積法制備鈣鈦礦薄膜研究及在鈣鈦礦太陽電池中的應(yīng)用.pdf

1、人類社會的不斷發(fā)展給世界帶來了能源危機(jī)和環(huán)境污染兩大難題。將地球上最豐富的清潔可再生能源太陽能轉(zhuǎn)化為電能的光伏發(fā)電被認(rèn)為是解決這兩大難題的最有效途徑之一，而光伏發(fā)電的核心為太陽電池。有機(jī)/無機(jī)雜化鉛鹵鈣鈦礦(ABX3，A=CH3NH2、 CH(NH)2; B=Pb; X=Cl，Br,I）材料具有合適的禁帶寬度和直接帶隙、高的吸光系數(shù)、高的電荷遷移率、能同時傳輸電子和空穴的雙極性和長的電子擴(kuò)散長度等優(yōu)點而被廣泛用作薄膜太陽電池的光活性層，

2、基于有機(jī)/無機(jī)雜化鉛鹵鈣鈦礦材料的鈣鈦礦太陽電池在短短的七年時間里光電轉(zhuǎn)換效率從3.8％增加到了22.1％，應(yīng)用前景十分明朗。
　　目前各種制備鈣鈦礦薄膜的方法都被研發(fā)并應(yīng)用于鈣鈦礦太陽電池中，其中連續(xù)沉積法是最為常用和重要的方法之一。本文從鈣鈦礦光活性層薄膜的制備方法入手，重點研究了連續(xù)沉積法制備鈣鈦礦薄膜的工藝和機(jī)理及其對鈣鈦礦太陽電池內(nèi)部電子復(fù)合動力學(xué)過程及器件光伏性能的影響。
　　在本文中，我們研究了電子傳輸層的結(jié)構(gòu)

3、和形貌對連續(xù)沉積法制備鈣鈦礦薄膜的影響，并制備了下半部分致密上半部分為介孔的連續(xù)的致密介孔TiO2電子傳輸層，該電子傳輸層不僅能促進(jìn)鈣鈦礦電池內(nèi)部電子傳輸，減少電荷復(fù)合，還有利于鈣鈦礦光活性層的沉積和填充。采用連續(xù)沉積法制備了基于該電子傳輸層的介孔鈣鈦礦太陽電池，其光電轉(zhuǎn)換效率和一致性方面都有了巨大的提高。
　　在連續(xù)沉積法制備鈣鈦礦薄膜的過程中，PbI2薄膜的形貌對鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量起著決定性的作用。常規(guī)方法制備的PbI2薄膜過于

4、致密而且不均勻會導(dǎo)致與MAI反應(yīng)不充分，生成的鈣鈦礦薄膜含有大量的PbI2殘留而且形貌比較差，嚴(yán)重影響鈣鈦礦太陽電池的光電性能。通過采用IPAHCl作為添加劑于PbI2的DMF的溶液中制備了原位潤濕PbI2納米片陣列薄膜（HP-PbI2），然后與MAI反應(yīng)獲得了高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜?；贖P-PbI2制備的鈣鈦礦薄膜的介孔鈣鈦礦太陽電池獲得了最高19.2％的光電轉(zhuǎn)化效率，不但其光伏參數(shù)的一致性優(yōu)于常規(guī)連續(xù)沉積法制備的介孔鈣鈦礦太陽電池，電

5、池的穩(wěn)定性也獲得非常大的提高。
　　采用連續(xù)沉積法制備的鈣鈦礦薄膜經(jīng)常會由于PbI2與CH3NH3I(MAI)反應(yīng)不充分而產(chǎn)生大量的PbI2殘留。我們研究了PbI2殘留對于鈣鈦礦太陽電池光伏性能產(chǎn)生的不利影響，詳細(xì)分析了其原因和機(jī)理。基于PbI2殘留的問題，我們對傳統(tǒng)的連續(xù)沉積法制備鈣鈦礦薄膜工藝進(jìn)行了改進(jìn)，發(fā)展了一種三明治前驅(qū)薄膜MAI-PbI2-MAI的方法來制備高質(zhì)量無PbI2殘留的鈣鈦礦薄膜?；谠摫∧さ拟}鈦礦太陽電池獲得

6、了17.8％的光電轉(zhuǎn)化效率，其開路電壓為1.10V，短路電流密度為21.08 mA cm-2，填充因子為0.77，并且穩(wěn)定性有了大幅的提高。
　　對于不同結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽電池（平板結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽電池和介孔結(jié)構(gòu)的太陽電池），對鈣鈦礦光活性薄膜的質(zhì)量要求也不同。本文系統(tǒng)研究了連續(xù)沉積法制備平板鈣鈦礦太陽電池和介孔鈣鈦礦太陽電池中對于鈣鈦礦薄膜質(zhì)量的要求，詳細(xì)分析了其原因和機(jī)理?；谶@些機(jī)理，我們開發(fā)了一種基于連續(xù)沉積法制備高效穩(wěn)定的