【摘要】：有機無機雜化鈣鈦礦(雜化鈣鈦礦)太陽能電池由于具備鈣鈦礦材料成本低廉、制備工藝簡單、性能優(yōu)異等特點,已成為新一代薄膜太陽能電池中的研究熱點。目前,實驗室制備的鈣鈦礦太陽能電池認(rèn)證效率已經(jīng)達到24.2%。由于鈣鈦礦材料對水汽敏感,高效率的雜化鈣鈦礦太陽能電池制備過程通常需要在充滿惰性氣體的手套箱中完成。手套箱的使用不僅增加了鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)成本,也使得制備流程更復(fù)雜。因此,研究在空氣中制備鈣鈦礦太陽能電池的工藝有重要的學(xué)術(shù)和經(jīng)濟價值。本論文的主要研究目標(biāo)圍繞著在空氣中制備高性能鈣鈦礦太陽能電池展開。首先對二氧化鈦(TiO_2)電子傳輸層的制備方法及工藝參數(shù)進行了研究。其次優(yōu)化了空氣環(huán)境下兩步法制備鈣鈦礦薄膜的工藝。研究了反溶劑法在不同濕度空氣中制備的鈣鈦礦薄膜及太陽能電池的性能。最后深入研究了濕度對鈣鈦礦薄膜結(jié)晶過程的影響,提出了抗?jié)穸确慈軇┕に嚒；谠摴に?在90%(25℃)的相對濕度(relative humidity,RH)條件下制備出高性能鈣鈦礦太陽能電池器件,效率可達19.5%。具體地,研究內(nèi)容分為以下四部分:1.對TiO_2電子傳輸層制備方法及工藝參數(shù)進行了研究。分別通過熱解噴涂法、旋涂法和磁控濺射法三種方法制備TiO_2電子傳輸層,并進一步制備了平板結(jié)構(gòu)甲胺鉛碘(CH_3NH_3PbI_3)鈣鈦礦太陽能電池。三種器件的平均光電轉(zhuǎn)換效率分別為12.5%、11.5%和12.5%�？紤]時間和技術(shù)成本,熱解噴涂法是更理想的TiO_2電子傳輸層沉積工藝。通過對熱解噴涂法的工藝參數(shù)進行優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)間隔噴涂可以提高致密TiO_2層薄膜的覆蓋并減少其缺陷密度,改善光生載流子在界面處的抽取,從而提高鈣鈦礦太陽能電池器件性能。2.研究了碘化鉛(PbI_2)薄膜退火溫度及鹵素調(diào)控對空氣中兩步法制備的鈣鈦礦太陽能電池性能的影響。當(dāng)PbI_2薄膜退火溫度在90℃時,制備的鈣鈦礦薄膜由鈣鈦礦晶粒緊密堆積而成,薄膜致密性好、結(jié)晶度高。將其作為光吸收層用于介孔結(jié)構(gòu)CH_3NH_3PbI_3太陽能電池中,獲得了12.11%的最高光電轉(zhuǎn)換效率。采用鹵素調(diào)控的方式對PbI_2層進行優(yōu)化,當(dāng)PbI_2與PbBr_2的摩爾比為83:17時,器件的光電轉(zhuǎn)換效率提高到了14.36%。該工作為在空氣中采用兩步法制備高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜提供了重要指導(dǎo)。3.研究了反溶劑法在一系列濕度環(huán)境下(0%RH~60%RH,22℃)制備的CH_3NH_3PbI_3薄膜及太陽能電池性能。在所研究的不同濕度條件下,采用反溶劑法制備的CH_3NH_3PbI_3薄膜在結(jié)晶度、表面形貌、光吸收特性和穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光方面的特性相似,制備的太陽能電池光伏性能相近,平均光電轉(zhuǎn)換效率均超過15%。放置于手套箱中存儲60天后,所有器件的效率都保持在初始值的90%以上。模擬研究了鈣鈦礦前驅(qū)體溶液暴露在濕度環(huán)境下的潛在影響,發(fā)現(xiàn)前驅(qū)體溶液吸收等摩爾量的水對CH_3NH_3PbI_3薄膜以及最終制備的電池器件性能影響可以忽略。該研究揭示了反溶劑法在中低濕度下制備CH_3NH_3PbI_3鈣鈦礦太陽能電池的特點,為深入研究濕度對反溶劑法的影響打下了基礎(chǔ)。4.鑒于高濕度下(70%RH及以上,25℃)反溶劑法無法制備出高質(zhì)量的CH_3NH_3PbI_3薄膜,深入研究了濕度影響反溶劑法制備鈣鈦礦薄膜結(jié)晶動力學(xué)過程的機理。通過對渾濁點現(xiàn)象及鈣鈦礦薄膜形貌的研究,提出了濕度對CH_3NH_3PbI_3薄膜旋涂結(jié)晶過程的影響機制�；谡{(diào)控CH_3NH_3PbI_3薄膜的初始形核密度,發(fā)展了抗?jié)穸确慈軇┓椒�。通過該方法可在任意濕度(0%RH到90%RH)下制備出高質(zhì)量的CH_3NH_3PbI_3薄膜和高效率的太陽能電池。特別地,在90%RH(25℃)濕度下獲得了19.5%的光電轉(zhuǎn)換效率,這是目前高于30%RH濕度條件下效率最高的鈣鈦礦太陽能電池器件。該方法解決了鈣鈦礦太陽能電池在制備過程中對手套箱環(huán)境的依賴,將極大地降低鈣鈦礦太陽能電池的技術(shù)成本,為鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化進程打下了關(guān)鍵基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM914.4
【圖文】：

電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文學(xué)術(shù)界的關(guān)注[7]。隨后，圍繞著鈣鈦礦材料，成膜工藝及器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，鈣鈦礦太陽能電池的性能以超過其他任何技術(shù)的發(fā)展速度得到提升。圖 1-1 是美國國家可再生能源實驗室（NREL）記錄的各種光伏技術(shù)效率演進圖[8]。截止 2018 年，實驗室里鈣鈦礦太陽能電池的認(rèn)證效率已經(jīng)達到 24.2%。鈣鈦礦太陽能電池用不到 10 年的時間以每年一個臺階的速度獲得如此高的性能。相應(yīng)地，非晶硅薄膜太陽能電池技術(shù)現(xiàn)在的記錄效率仍停留在 14%附近，CIGS 薄膜電池和 CdTe 薄膜電池歷經(jīng) 40年發(fā)展效率沒有突破 23%。雖然鈣鈦礦太陽能電池的效率已經(jīng)極具吸引力，但其穩(wěn)定性暫時還沒有達到商用標(biāo)準(zhǔn)。伴隨著穩(wěn)定性的逐步提升，鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)將逐步打破商業(yè)化壁壘，成為一項真正意義上的新一代太陽能電池技術(shù)。

鈣鈦礦太陽能電池主要經(jīng)歷了兩個階段的發(fā)展。第一具備優(yōu)異的光電性能，使鈣鈦礦太陽能電池脫離于染立發(fā)展；第二階段，通過鈣鈦礦材料和薄膜沉積工藝的效率得到突飛猛進的提高。太陽能電池材料以俄羅斯礦物學(xué)家 L.A. Perovski 名字命名的一類具備化學(xué)通式為 ABX3[24]。其中，A、B 代表陽離子，X 代的離子構(gòu)成了不同類型的鈣鈦礦材料。典型的鈣鈦礦晶繞陽離子 B，6 個 X 陰離子構(gòu)成正八面體結(jié)構(gòu)，陽離處。通常通過考察容忍因子 t 和八面體因子 μ 來推測晶(RA+RB) √2(RB+RX )，RA、RB與 RX分別代表 A、B X,代表 B 和 X 的離子半徑之比。

圖 1-3 不同鈣鈦礦材料的容忍因子和八面體因子[24]常見的鈣鈦礦太陽能電池光吸收層材料共有四種：有機-無鈣鈦礦[26]、無機鈣鈦礦[27]和無鉛鈣鈦礦[28]。無機雜化鈣鈦礦最先被用于太陽能電池的光吸收層。雜化鈣鈦要有甲胺陽離子（CH3NH3+，MA）、甲脒陽離子（NH2CH寸基團；陽離子 B 多指鉛（Pb）；陰離子 X 是鹵素元素，有碘（I）等。以 CH3NH3PbI3為例，其具備合適的禁帶寬度、流子擴散距離長、缺陷容忍能力高、載流子遷移率高和激子特別適合用作光吸收層材料。除了 CH3NH3PbI3，單結(jié)高效中使用最多的材料為 FAPbI3[29, 30]以及混合基團鈣鈦)x[31]。通過調(diào)節(jié)陽離子基團和陰離子基團可方便地對雜化鈣控。通過該方式可以拓展疊層鈣鈦礦太陽能電池和多色鈣，雜化鈣鈦礦也存在問題。雜化鈣鈦礦中的有機基團在熱和，因而存在本征的穩(wěn)定性問題[32, 33]。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 劉磊;金晶;趙慶慶;張盈文;劉娓;;中國及世界一次能源消費結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀分析[J];能源研究與信息;2014年01期

本文編號：2769418