CH3NH3PbI3薄膜的制备及其在介孔太阳能电池中的应用

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钙钛矿太阳能电池是一种新型薄膜太阳能电池,它有着效率高、制作成本低,原材料丰富等优点,被誉为太阳能电池领域内冉冉升起的一颗新星。目前,它的最高能量转换效率达22.1%,效率上已经达到了商业化应用的要求。钙钛矿太阳能电池的最核心的部分是吸光层材料甲胺碘铅(CH3NH3PbI3),它有着合适的带隙宽度1.55 eV,吸光系数比传统吸光材料多出几个数量级,薄膜只需很薄的厚度即可满足光吸收量的要求。CH3NH3PbI3激子束缚能低,吸收太阳光产生的载流子扩散长度大,并且具有双极性传输的特性,既能分离载流子也能传输载流子。性能优异的CH3NH3PbI3薄膜是制备高效率高稳定性钙钛矿太阳能电池的关键。常见的CH3NH3PbI3薄膜制备方法有溶液旋涂法,双源共蒸发法,气相辅助溶液法等。其中,溶液旋涂法是最基础最简单有效的沉积方法,国内外科研工作者也大多采取这种方法展开科学研究。钙钛矿太阳能电池的效率提升很快,但是其薄膜制备过程中的一些基础问题仍需要系统性的探究,寻找简单有效的薄膜制备方法对太阳能电池的研究发展有着非常重要的意义。本文基于CH3NH3PbI3体系,采用两步溶液法,系统地研究了制备工艺对CH3NH3PbI3薄膜的形貌、结晶性和吸光性等方面的影响规律。探索了不同PbI2、CH3NH3PbI3薄膜的制备方法和CH3NH3PbI3薄膜退火方法,提高了CH3NH3PbI3薄膜的质量,并将制备的钙钛矿薄膜应用到FTO/bl-TiO2/mp-TiO2/CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTAD/Au结构的太阳能电池中,对电池的光伏性能进行了研究。开展的主要工作如下:(1)采用两步旋涂法制备钙钛矿薄膜,探究了不同浓度的前驱体碘甲胺(MAI/IPA)溶液对CH3NH3PbI3薄膜形貌、结晶性和吸光性的影响,结果显示,当MAI/IPA前驱液浓度为50 mg/mL时,制备的CH3NH3PbI3薄膜最平整均一,电池效率最高。探究了PbI2前驱体溶液复合溶剂体积比对CH3NH3PbI3薄膜的形貌和结晶性影响,结果显示当复合溶剂体积比DMF:DMSO=4:1时,CH3NH3PbI3薄膜的质量最好,电池性能最佳;探究了反溶剂法对CH3NH3PbI3薄膜的形貌和结晶性影响,结果表明,氯苯引入后制备的CH3NH3PbI3薄膜更加致密均一,提高了电池效率;(2)分别采用了阶梯式退火法、乙醚萃取法和DMF溶剂氛围对钙钛矿前驱体PbI2薄膜进行退火,并将这三种方法制备成的CH3NH3PbI3薄膜应用到太阳能电池中。三者的机理如下,阶梯式退火有助于旋涂的PbI2/DMF前驱液后的PbI2结晶成膜,乙醚萃取有助于DMF和DMSO的快速去除,DMF溶剂氛围退火促进了旋涂后薄膜中残余的PbI2簇团再次溶解结晶。结果表明,三种处理方法对PbI2薄膜和CH3NH3PbI3薄膜质量均有改善,其制备的钙钛矿太阳能电池性能也得到了提升。(3)采用了两步法制备CH3NH3PbI3薄膜,使用DMF和乙醇两种不同溶剂热氛围退火处理钙钛矿薄膜,设置一组对照实验,研究结果表明,溶剂氛围热退火法促进了钙钛矿晶体的生长,增大了晶粒尺寸,提高了薄膜结晶性,改善了CH3NH3PbI3薄膜的平整度和覆盖度,其中,乙醇蒸气比DMF效果更佳。乙醇氛围退火后,短路电流密度提升至17.17 mA/cm2,开路电压为1.054 V,填充因子为0.612,电池光电转化效率为11.07%。
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