钙钛矿太阳电池的制备与稳定性提升研究

作     者：林明月 

作者单位：西安石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈雪莲;杨松旺

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 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：钙钛矿太阳电池 CsPbI3薄膜 高效率 钝化 稳定性 

摘      要：随着社会经济的发展,能源短缺和环境污染对人类生活影响越来越大,太阳能这种新型清洁能源得到了大力推广和研究。其中钙钛矿半导体材料具有双极性传输、带隙可调节、载流子扩散速度快、扩散距离长以及制备工艺简单,价格低廉等特点被广泛应用于太阳能电池领域。钙钛矿太阳电池的光电转换效率在近十年的研究中被不断提高,但是在追求高光电转换效率的同时,钙钛矿太阳电池的长期服役稳定性是目前最需要解决的问题。本论文通过对钙钛矿太阳电池结构的选择,制备工艺的优化,以及钙钛矿薄膜修饰钝化等策略来提高钙钛矿太阳电池器件光电转换性能及其稳定性,主要内容如下:有机-无机杂化钙钛矿太阳电池是目前光电转换效率最高的钙钛矿体系,通过制备致密TiO和SnO这两种不同电子传输层的钙钛矿太阳电池,研究不同电子传输层的钙钛矿太阳电池的光电转换效率和稳定性之间的关系。结果表明,基于SnO的钙钛矿太阳电池的电子提取率更高、电子提取速度更快,因而对器件进行正反扫测试发现几乎没有磁滞效应,器件的光电转化效率更高,并且稳定性也强于致密TiO的钙钛矿太阳电池。最终器件的光电转化效率达到22.03%,在干燥环境下暗态存储30天后保持初始效率的79%。为了提高钙钛矿太阳电池的稳定性所以选择合适的功能层材料,采用热稳定性和光照稳定性更好的CsPbI无机钙钛矿材料作为吸光层,通过以二甲胺氢碘酸盐为添加剂,制备前对基体进行预热来调控CsPbI的晶体生长。结果表明,当钙钛矿前驱体添加剂浓度为0.78M,预热温度为100℃时钙钛矿薄膜的形貌最平滑致密,光电性能最优,有效的改善了CsPbI吸光层的光吸收和电荷传输和电荷收集过程,从而改善了CsPbI钙钛矿太阳电池的性能。最终在干燥环境下制备出结构为致密TiO电子传输层、CsPbI吸光层、Spiro-OMeTAD空穴传输层、Ag电极的全无机钙钛矿太阳电池光电转换效率最高达到17.66%。为了提高CsPbI全无机钙钛矿太阳电池在空气环境制备下的光电转换效率,通过使用新型廉价2-溴对苯二甲酸钝化材料对CsPbI钙钛矿薄膜表面钝化修饰的方法在空气环境中制备出高性能的全无机钙钛矿太阳电池。研究结果表明2-溴对苯二甲酸钝化并未引起钙钛矿薄膜的物相和微结构的变化,钙钛矿太阳电池的性能之所以提高的原因在于CsPbI/空穴传输层界面的2-溴对苯二甲酸钝化抑制了钙钛矿电池内电子和空穴传输过程中的缺陷复合,使得CsPbI薄膜的荧光发射强度和TiO/CsPbI界面的电子传输能力增强。最终器件采用稳定性更好的碳作为电极制备出的CsPbI钙钛矿太阳电池光电转换效率最高为12.19%,并且封装好的全无机钙钛矿太阳电池在空气环境中暗态存放30天后保持初始效率的83%。