鈣鈦礦太陽能電池由于其低成本和高效率等優(yōu)點受到廣泛關(guān)注,迅速成為光伏領(lǐng)域的研究熱點,被認為是最具發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用價值的下一代光伏器件。盡管經(jīng)過十多年的發(fā)展,鈣鈦礦太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率不斷取得突破,但是鈣鈦礦電池從實驗室邁向產(chǎn)業(yè)化的過程中仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。有機-無機雜化鈣鈦礦材料對水和氧十分敏感,具有本征不穩(wěn)定性,導(dǎo)致電池器件性能退化嚴重,穩(wěn)定性差,遠遠不能滿足實際應(yīng)用的需求。此外,為了獲得高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜,鈣鈦礦電池的組裝和存儲通常需要在惰性氣體保護下進行,苛刻的工藝也不利于器件的大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)應(yīng)用。同時,對鈣鈦礦太陽能電池工作機制的認識正逐漸從宏觀進入微觀,器件中的電子空穴分離、載流子的輸運、電荷在界面處的提取與復(fù)合等超快動力學(xué)過程需要更加深入地研究。利用超快時間分辨光譜準確地了解鈣鈦礦電池器件中的載流子的超快動力學(xué)過程將有助于提高光電轉(zhuǎn)化效率和改善器件的穩(wěn)定性,為設(shè)計出高效穩(wěn)定的鈣鈦礦電池器件提供理論上的指導(dǎo)。本文以此為切入點探究空氣環(huán)境下鈣鈦礦電池的組裝工藝,并通過調(diào)控TiO₂/CH₃NH₃PbI₃

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：148 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

各種太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化最高轉(zhuǎn)換效率的增長趨勢圖[16]

舾校?庖捕緣緋氐鬧票富肪程岢雋私細咭?蟆?當前，絕大部分高效率的PSCs均是在惰性氣體保護下完成薄膜的制備和器件的組裝，增加了器件的制備成本，同時基于惰性氣體保護下的制備和改性工藝在PSCs未來大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)中的有效性也有待研究。因此，在空氣環(huán)境中制備的高效穩(wěn)定的PSCs，不僅可以降低PSCs的成本，也為PSCs未來的產(chǎn)業(yè)化研究奠定基矗1.2鈣鈦礦太陽能電池簡介1.2.1鈣鈦礦材料簡介在鈣鈦礦中位于體心的鈦原子與位于面心的氧原子形成6配位正八面體結(jié)構(gòu)，位于頂點的鈣原子與12個氧原子配位形成立方八面體結(jié)構(gòu)，如圖1-2a。鈣鈦礦的“Perovskite”是以俄羅斯礦物學(xué)家Perovski名字而命名，通常指一類化學(xué)通式為ABX3的物質(zhì)[17]。而用于PSCs中的鈣鈦礦為一類有機-無機雜化材料，A位置為單價陽離子，如甲胺陽離子（MA+）、甲脒陽離子（FA+）、Cs+和Rb+離子，B位置為Pb2+和Sn2+金屬離子，X位置通常為鹵素離子如I-、Br-和Cl-，如圖1-2b[18]。與傳統(tǒng)的光吸收材料相比，有機-無機雜化鈣鈦礦材料表現(xiàn)出更強的吸光能力、更高的載流子遷移率和更長的載流子擴散距離。同時，鈣鈦礦材料的帶隙寬度約為1.60eV，并通過鈣鈦礦材料中A、B和X位置化學(xué)組成的調(diào)控可以實現(xiàn)帶隙寬度的連續(xù)調(diào)節(jié)[19]。例如，利用FA+和MA+雙陽離子混合制備的FA0.92MA0.08PbI3鈣鈦礦材料具有1.50eV的帶隙寬度，基于此種材料開發(fā)的鈣鈦礦電池器件的效率已經(jīng)超過了23%[20]。圖1-2鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)[18]a)普通鈣鈦礦結(jié)構(gòu)b)有機-無機雜化鈣鈦礦結(jié)構(gòu)Fig.1-2Crystalstructureofperovskitea)generalperovskiteb)organic-inorganichybridperovskite

第1章緒論-5-兩步溶液旋涂法是將鈣鈦礦薄膜的制備分為兩步，首先將一定濃度的PbI2旋涂到多孔支架層上，退火后獲得PbI2薄膜，再利用一定濃度的CH3NH3I溶液與制備的PbI2反應(yīng)生成鈣鈦礦薄膜，根據(jù)CH3NH3I加入方式的不同可以分為浸泡法（圖1-4a）和旋涂法（圖1-4b）兩種。Graetzel教授團隊首次報道了兩步溶液浸泡法制備CH3NH3PbI3鈣鈦礦薄膜，首先在介孔TiO2薄膜上旋涂PbI2溶液，加熱處理后獲得PbI2薄膜，再將PbI2薄膜浸泡在一定濃度的CH3NH3I異丙醇溶液里，CH3NH3I與PbI2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成深棕色鈣鈦礦，加熱退火即可獲得鈣鈦礦薄膜，最終組裝的鈣鈦礦電池器件的PCE為15%[26]。盡管此方法獲得的電池器件效率較高，但器件重現(xiàn)性較差。為了進一步解決這一問題Park教授團隊對浸泡法進行了調(diào)整，開發(fā)出連續(xù)旋涂法制備鈣鈦礦薄膜，在獲得PbI2薄膜上滴加CH3NH3I旋涂制備鈣鈦礦層，流程如圖1-3b。同時研究發(fā)現(xiàn)CH3NH3I濃度對鈣鈦礦薄膜質(zhì)量有顯著的影響，通過優(yōu)化連續(xù)旋涂法中CH3NH3I濃度組裝的電池器件具有良好的重現(xiàn)性，最高效率為17%，平均效率16.4%[27]。此后，中科院半導(dǎo)體研究所游經(jīng)碧課題組先是詳細地探討了連續(xù)旋涂法在SnO2和TiO2基底上制備的鈣鈦礦薄膜形貌及性能差異，實現(xiàn)器件轉(zhuǎn)換效率接近20%[28]，在后續(xù)研究中又利用碘化苯乙銨（PEAI）對鈣鈦礦薄膜表面缺陷進行了鈍化，減少了缺陷誘導(dǎo)的非輻射復(fù)合，組裝的電池器件認證效率為23.32%，開路電壓更是高達1.18V[20]。隨著各種鈍化技術(shù)的開發(fā)，兩步連續(xù)沉積鈣鈦礦薄膜的方法在制備高效轉(zhuǎn)換的電池器件上具有更大發(fā)展空間，基于此種方法制備的電池器件正在不斷刷新鈣鈦礦電池的最高效率。圖1-4鈣鈦礦薄膜的兩步法制備工藝a)浸泡法[26]b)


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