钛源和卤化物对平板钙钛矿太阳能电池性能的影响

作     者：李效贺 

作者单位：武汉理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：余家国;程蓓

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：平板钙钛矿太阳能电池 电子传输层 钙钛矿前驱体 

摘      要：太阳能电池可以将太阳能直接转化为电能,有助于缓解当前的能源危机。其中,钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其具有较高的光电转化效率(PCE)、较低的制造成本,而广受关注。PSCs的器件结构一般可分为介孔结构和平板结构,尤其是平板结构,由于制备工艺简单而备受人们关注。平板PSCs的结构由导电玻璃/电子传输层(ETL)/钙钛矿/空穴传输材料/金电极组成。其中,ETL起着传输电子阻挡空穴的作用,对电池的PCE有着显著影响,而通常所用的ETL为TiO。因此,改善TiO ETL的光电性质,研究ETL以及ETL/钙钛矿界面对PSCs性能的影响,对于提高电池效率具有重要意义。其次,钙钛矿作为PSCs的吸光材料,钙钛矿前驱体的组成对钙钛矿成膜及光电性能也有着重要影响。针对以上科学问题,本文的具体工作如下:第一,本文利用钛酸四丁酯(TBOT)、乙醇和三乙醇胺合成了TiO ETL的前驱体溶液。当乙醇、TBOT和三乙醇胺的体积比为30:3:1时,通过旋涂法制备的ETL(TT-TiO)具有最佳的光电性能,器件效率最高。此外,为了探究钛源对ETL以及相应器件光电性能的影响,将其与通常采用的双乙酰丙酮钛(TDB)所制备的ETL(TDB-TiO)进行对比,两者均采用最优配比。研究表明由两种不同钛源所制备的TiO的晶相并没有变化,但是TiO ETL的表面状态、电子提取能力和界面复合阻抗发生明显改变。与广泛使用的TDB相比,TBOT合成的TiO薄膜表面光滑均匀,TiO纳米颗粒粒径增大,电子提取能力增强。因此,基于TT-TiO ETL的PSCs具有优异的ETL/钙钛矿界面质量,界面复合阻抗增大,电子复合减少。结果基于TT-TiO的器件取得了17.4%的PCE,而采用TDB-TiO的器件仅取得了14.5%的PCE。第二,钙钛矿薄膜的质量决定着PSCs的PCE,而其质量又和前驱体的组成息息相关。以MAPbI前驱体溶液为例,是将等摩尔的阳离子卤化物MAI和铅金属卤化物PbI溶解在有机溶剂中,卤化物及其计量比对钙钛矿结晶和光电性质有着重要影响。本文通过在等摩尔比的MAPbI前驱体溶液中添加5 mol%过量的阳离子卤化物如MAI、CsI和铅金属卤化物如PbI、PbBr和PbCl,来研究前驱体组成以及卤化物对钙钛矿薄膜结晶学行为和器件效率的影响,探讨卤化物在结晶过程中的作用以及前驱体转化为钙钛矿的结晶过程。结果表明,阳离子卤化物MAI、CsI能够加速钙钛矿生长,而且多余的MA和Cs离子会聚集在晶界和Pb-I骨架周围,形成类似二维钙钛矿的层状结构。而铅金属卤化物对钙钛矿薄膜光电性质的影响,主要受卤素原子的影响,PbCl能通过中间反应阻碍钙钛矿成核,使得钙钛矿晶粒增大,但也增大了晶粒表面粗糙度。5 mol%过量的PbI和PbBr能够钝化薄膜缺陷,提高钙钛矿成膜质量。基于5 mol%过量PbI和PbBr的PSCs器件,效率得到明显提高,分别取得了16.5%和19.3%的效率,而等摩尔比的器件仅获得14.5%的效率。