本文關(guān)鍵詞：新型鈣鈦礦電池的化學(xué)氣相沉積制備及其光伏性能研究

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【摘要】：近年來,高效率、低成本的新型有機/無機雜化鈣鈦礦太陽能電池異軍突起,引起了極大地關(guān)注。鈣鈦礦電池主要是以甲胺鉛碘(CH3NH3PW3)為光吸收層的新型太陽能電池,而CH3NH3PbI3由于具有較高的光吸收系數(shù)、合適的直接帶隙、優(yōu)良的載流子傳輸性能和高的缺陷容忍性,被公認為是極具發(fā)展前景的新一代光伏材料。目前,CH3NH3PbI3光吸收層薄膜的制備一般采用真空熱蒸發(fā)法和非真空溶液法兩種。其中,真空熱蒸發(fā)法存在設(shè)備昂貴、制程復(fù)雜等缺點；而溶液法也存在液相反應(yīng)控制困難,經(jīng)常導(dǎo)致薄膜出現(xiàn)粗糙多孔、覆蓋不完全等缺陷,對器件光伏性能影響極大。因此,急需研究并開發(fā)出簡單的新型薄膜制備工藝,以推動鈣鈦礦電池的發(fā)展及商業(yè)化應(yīng)用。本論文中,我們創(chuàng)新性的采用低成本、操作簡單、可大面積應(yīng)用的化學(xué)氣相沉積工藝(CVD)來制備CH3NH3PbI3光吸收層。同時對薄膜進行系統(tǒng)表征以優(yōu)化制備工藝,進而成功研發(fā)出高效率鈣鈦礦光伏器件。本論文主要包括：第一,采用新型的低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)方法制備出高質(zhì)量CH3NH3PbI3薄膜,通過溫和的氣相-固相(G-S)反應(yīng),有效解決了無機薄膜PbI2與有機基團CH3N3HI之間超快插層反應(yīng)速率問題,避免薄膜出現(xiàn)粗糙、多孔及不完全覆蓋等缺陷。研究表明,LPCVD法制備的鈣鈦礦薄膜具有致密度高、結(jié)晶性能好、光吸收強及載流子擴散長度長等優(yōu)點。更為重要的是,LPCVD方法制備出的鈣鈦礦薄膜具有較好的濕度容忍性,甚至在高溫、激光照射的情況下仍能穩(wěn)定不分解。基于所制備的高質(zhì)量光吸收層薄膜,我們在高濕度開放環(huán)境下研制出效率達12.73%的光伏器件。第二,采用更為簡單可控的原位化學(xué)氣相沉積(ITCVD)方法制備出4cm×4cm的大面積鈣鈦礦薄膜,并且初步制備出電池器件,獲得了12.2%的光電轉(zhuǎn)換效率。同時,我們首次發(fā)現(xiàn)了氣相輔助法制備鈣鈦礦太陽能電池中有趣的J-V曲線翻轉(zhuǎn)"roll-over"現(xiàn)象。通過EIS、C-V和XPS等測試表明：鈣鈦礦太陽能電池中未被報道的PbI2/CH3NH3PbI3異質(zhì)結(jié)是導(dǎo)致該現(xiàn)象產(chǎn)生的主因,該發(fā)現(xiàn)有助于更好的理解新型鈣鈦礦太陽能電池的工作機理。最后,利用新穎的CH3NH3Cl輔助兩步化學(xué)氣相沉積(STCVD)方法制備出更高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜,并且詳細的研究了C1元素在G-S反應(yīng)過程中所起的作用。研究發(fā)現(xiàn),CH3NH3Cl可以快速的與PbI2薄膜發(fā)生反應(yīng),修復(fù)其溝壑缺陷,并細化晶粒成為種子晶模版,進而制備出致密、均勻、晶粒尺寸超大的高品質(zhì)CH3NH3PbI3薄膜,從而可以減少晶界處的電荷復(fù)合,顯著提高電池光伏性能。與常規(guī)氣相沉積的器件性能相比,STCVD法制備電池的開路電壓(Voc)平均值從0.915V提升到1.001V,電池最佳效率從10.29%提高到13.76%,達到了目前氣相制備的較高水平。進一步研究發(fā)現(xiàn)：STCVD方法制備的電池具有良好的穩(wěn)定性,未封裝器件在大氣環(huán)境下存放48天后,仍有4.15%的效率。由此可見,在本論文中STCVD法已初步實現(xiàn)了高效、穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池的可控制備。同時,還揭示了C1元素對鈣鈦礦薄膜氣相生長的影響機制,有望為鈣鈦礦電池發(fā)展提供重要的理論實驗依據(jù)和全新的研究思路。
【關(guān)鍵詞】：鈣鈦礦太陽能電池 化學(xué)氣相沉積 翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象 種子晶模版 氣-固反應(yīng)
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM914.4;TB383.2
【目錄】：

• 致謝7-8
• 摘要8-10
• ABSTRACT10-16
• 第一章 緒論16-28
• 1.1 太陽能電池發(fā)展概述16-17
• 1.2 太陽能電池的分類17-18
• 1.2.1 硅太陽能電池17
• 1.2.2 化合物半導(dǎo)體薄膜電池17
• 1.2.3 有機半導(dǎo)體太陽能電池17-18
• 1.2.4 染料敏化太陽能電池18
• 1.3 有機/無機雜化鈣鈦礦電池簡介18-26
• 1.3.1 鈣鈦礦電池的研究進展18-19
• 1.3.2 鈣鈦礦光吸收層的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)19-21
• 1.3.3 鈣鈦礦電池的器件結(jié)構(gòu)21-24
• 1.3.4 鈣鈦礦光吸收層的制備方法24-26
• 1.4 本課題的主要研究內(nèi)容及意義26-28
• 第二章 材料的制備與表征方法28-31
• 2.1 材料的制備28
• 2.1.1 甲胺碘和甲胺氯粉末的合成28
• 2.1.2 前驅(qū)體溶液的配制28
• 2.2 薄膜和器件的性能測試與表征方法28-31
• 2.2.1 薄膜的表征方法29-30
• 2.2.2 鈣鈦礦電池的表征方法30-31
• 第三章 低壓化學(xué)氣相沉積法制備高性能鈣鈦礦電池31-44
• 3.1 引言31-32
• 3.2 實驗部分32-36
• 3.2.1 實驗原料、試劑及儀器32-33
• 3.2.2 鈣鈦礦光吸收層的制備33-34
• 3.2.3 鈣鈦礦電池器件的組裝34-36
• 3.3 測試結(jié)果分析與討論36-43
• 3.3.1 甲胺碘粉末的表征36-37
• 3.3.2 CH_3NH_3PbI_3光吸收層的XRD分析37-38
• 3.3.3 CH_3NH_3PbI_3光吸收層的表面形貌分析38-39
• 3.3.4 CH_3NH_3PbI_3光吸收層的光學(xué)特性研究39-40
• 3.3.5 CH_3NH_3PbI_3光吸收層的變溫拉曼分析40-41
• 3.3.6 CH_3NH_3PbI_3光吸收層的穩(wěn)定性研究41-42
• 3.3.7 退火時間對鈣鈦礦電池效率的影響42-43
• 3.4 本章小結(jié)43-44
• 第四章 原位化學(xué)氣相沉積法制備鈣鈦礦電池及其J-V翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象研究44-54
• 4.1 引言44
• 4.2 實驗部分44-46
• 4.2.1 鈣鈦礦光吸收層的制備44-45
• 4.2.2 鈣鈦礦電池器件的組裝45-46
• 4.3 實驗結(jié)果與表征46-53
• 4.3.1 CH_3NH_3PbI_3光吸收層的XRD分析46
• 4.3.2 CH_3NH_3PbI_3光吸收層的表面形貌分析46-47
• 4.3.3 CH_3NH_3PbI_3光吸收層的光學(xué)特性研究47-48
• 4.3.4 J-V曲線及其翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象研究48-52
• 4.3.5 大面積鈣鈦礦薄膜的制備52-53
• 4.4 本章小結(jié)53-54
• 第五章 CH_3NH_3Cl/CH_3NH_3I兩步法制備高效鈣鈦礦電池54-67
• 5.1 引言54
• 5.2 實驗部分54-56
• 5.2.1 CH_3NH_3Cl/CH_3NH_3I兩步法制備鈣鈦礦薄膜54-56
• 5.2.2 鈣鈦礦太陽能電池的制備56
• 5.3 實驗結(jié)果與表征56-66
• 5.3.1 鈣鈦礦光吸收層的制備過程研究56-59
• 5.3.2 鈣鈦礦光吸收層的XPS分析59-60
• 5.3.3 鈣鈦礦光吸收層的形貌分析60-63
• 5.3.4 鈣鈦礦電池的光伏特性研究63-64
• 5.3.5 鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性研究64-66
• 5.4 本章小結(jié)66-67
• 第六章 總結(jié)和展望67-69
• 6.1 論文總結(jié)67-68
• 6.2 工作展望68-69
• 參考文獻69-78
• 攻讀碩士學(xué)位期間的學(xué)術(shù)活動及成果情況78

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4 ;在羧基甲基纖維素存在下鈣鈦礦的浮選[J];國外金屬礦選礦;1987年06期

5 王穎霞,別利劍,秦瑞雯,林建華,尤力平;三方層狀鈣鈦礦化合物——結(jié)構(gòu)化學(xué)原理及應(yīng)用[J];自然科學(xué)進展;2002年05期

6 許麗梅;林秋惠;林結(jié)華;;金屬鹵化物鈣鈦礦模板的構(gòu)筑及表征[J];湛江師范學(xué)院學(xué)報;2007年06期

7 王進;新型焊條涂料的選收及其應(yīng)用[J];有色金屬(選礦部分);1989年01期

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9 王建偉;鈉米鈣鈦礦復(fù)合氧化物的析氧電催化性質(zhì)的研究[J];衡陽師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué));2002年03期

10 劉冬梅;李小兵;秦賽;朱明;;雙鈣鈦礦La_2NiMnO_6多晶靶材的制備及結(jié)構(gòu)表征[J];化工時刊;2013年07期

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5 孔偉光;有機—無機雜化鈣鈦礦的光學(xué)特性研究[D];浙江大學(xué);2016年

6 王燕;H_2CaTa_2O_7層間插層修飾、剝離及性能研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2016年

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1 王衛(wèi)衛(wèi);聚合物電荷傳輸材料在鈣鈦礦太陽能電池中的應(yīng)用[D];蘇州大學(xué);2015年

2 代曉艷;TiO_2致密層與鈣鈦礦吸收層的制備及其光伏性能[D];合肥工業(yè)大學(xué);2015年

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6 馬中生;有機太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池中界面緩沖層的研究[D];蘇州大學(xué);2015年

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8 王玉金;新型鈣鈦礦平面異質(zhì)結(jié)太陽能電池的制備與表征[D];中國海洋大學(xué);2015年

9 尹偉;基于形貌控制和界面修飾的倒裝平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽能電池的性能研究[D];南京大學(xué);2016年

10 張一帆;鈣鈦礦電致發(fā)光器件的薄膜優(yōu)化研究[D];吉林大學(xué);2016年

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