【摘 要】
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在世界能源需求持续增长的形势下,为实现可持续发展,非化石能源的开发利用备受关注。十数年来,钙钛矿太阳能电池飞速发展,其光电转换效率从2009年的3.8%已经达到了目前的25.7%,展现出良好的商业化及应用前景。钙钛矿太阳能电池制备过程中,通常将钙钛矿光活性层材料溶解在溶剂中,然后涂覆在基底上并进行热退火,随着溶剂的逐步挥发,钙钛矿光活性层材料成核、结晶并生长。对于可印刷介观钙钛矿太阳能电池,钙钛矿
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在世界能源需求持续增长的形势下,为实现可持续发展,非化石能源的开发利用备受关注。十数年来,钙钛矿太阳能电池飞速发展,其光电转换效率从2009年的3.8%已经达到了目前的25.7%,展现出良好的商业化及应用前景。钙钛矿太阳能电池制备过程中,通常将钙钛矿光活性层材料溶解在溶剂中,然后涂覆在基底上并进行热退火,随着溶剂的逐步挥发,钙钛矿光活性层材料成核、结晶并生长。对于可印刷介观钙钛矿太阳能电池,钙钛矿光活性层沉积在Ti O2/Zr O2/碳介孔骨架中,溶剂的挥发过程直接影响钙钛矿光活性层在介孔膜中的填充情况和结晶质量。为了实现致密的钙钛矿光活性层填充,通常需要构建一个半密闭的退火环境(腔体),降低溶剂的挥发速率,从而实现缓慢的钙钛矿结晶生长(通常1~2小时)。本论文围绕可印刷介观钙钛矿太阳能电池光活性层结晶的溶剂挥发过程展开研究,通过数值模拟和物理建模,研究了退火腔体结构对溶剂挥发及钙钛矿光活性层结晶生长的影响,主要内容包括:(1)基于溶剂挥发、气体扩散、溶质析出等过程,构建了描述退火腔体中各物理过程及参数变化的模型。通过对溶剂逃逸参数进行赋值对比,讨论了敞开环境和半密闭环境中钙钛矿光活性层退火过程中溶剂挥发速率、蒸气压和溶液浓度等参数的变化。模拟计算结果表明,当所设置的溶剂逃逸参数在1~0.001时,模拟结果中钙钛矿前驱体溶液浓度变化曲线与经典La Mer图主体形状及趋势一致,溶液的最高浓度(过饱和)可以达到6.86 mol·L-1;当溶剂逃逸参数在0.000 1以下时,模拟钙钛矿前驱体溶液浓度变化曲线中到达过饱和浓度的时间点大幅度延后,且前驱体溶液浓度可长时间维持在略高于饱和浓度的数值水平;当逃逸参数为0.000 01时,溶液的最高浓度为2.13 mol·L-1,这一状态有利于实现钙钛矿在可印刷介观钙钛矿太阳能电池中的缓慢结晶。(2)基于有限元仿真的方法,模拟了退火过程中热量传导、溶剂挥发、气体流动等物理过程,用于进一步分析退火腔体结构对溶剂蒸气压分布的影响。通过设计5种不同结构的退火腔体,并以溶剂蒸汽压的“标准差”作为描述溶剂氛围均匀度的参数。提出一种将退火腔体顶部设计为弧形,溶剂蒸汽逃逸通道设置在腔体侧面底部,以实现溶剂蒸气压均匀分布的方案。作为参照,“水平顶部”退火腔体的溶剂蒸汽压标准差为0.132 2,构建的“弧形顶部”退火腔体溶剂蒸汽压标准差低至0.031 9。(3)基于3D打印技术制备半密闭和密闭环境的退火腔体。退火腔体外形尺寸为110 mm×35 mm×8 mm,腔体壁上溶剂蒸汽逃逸通道尺寸为1.5 mm×1.5 mm。研究表明,3D打印技术可以有效实现设计图纸的尺寸参数,退火腔体的打印误差小于100μm。采用该退火腔体进行可印刷介观钙钛矿太阳能电池的制备,分别模拟了敞开、半密闭以及密闭环境,实现了钙钛矿光活性层材料在介孔膜中的均匀致密填充。本论文通过对钙钛矿光活性层结晶过程中溶剂挥发过程进行研究,提出了一种调控溶剂挥发速率的方案,为钙钛矿太阳能电池的溶液法大面积制备提供了一定理论参考。
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