电沉积法制备高效钙钛矿FAPbI3太阳能电池研究

作     者：李强 

作者单位：绍兴文理学院 

学位级别：硕士

导师姓名：方泽波;任宽宽

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 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）] 0702[理学-物理学] 

主      题：电沉积法 钙钛矿太阳能电池 卤素掺杂 无电子传输层 退火时间 

摘      要：钙钛矿太阳能电池在十多年的时间里光电转换效率从3.8%快速提升至现在的25.7%,稳定性也从刚开始的几秒钟发展至上千个小时,具有非常大的应用潜力,这种跨跃式的发展均归因于钙钛矿材料优异的光电性能:高的光吸收系数、长的载流子扩散长度和低的激子结合能。钙钛矿太阳能电池制备方法多种多样,电沉积法具有低成本、大面积、高重复、环境友好和柔性可制备的特点。大多数研究者已经采用电沉积法合成MAPbI薄膜并应用于钙钛矿太阳能电池。但采用电沉积法制备钙钛矿FAPbI薄膜的研究尚未有报道,因为在PbO与FAI的反应中会有副产物水的产生。这会诱导产生不需要的黄相δ-FAPbI,为进一步的研究带来了困难。基于此,本论文采用电沉积PbO与FAI前驱体溶液反应合成了纯相的钙钛矿α-FAPbI薄膜。通过调控电化学沉积参数、优化工艺步骤和掺杂添加剂改善薄膜质量,最终获得了转换效率为13.33%的钙钛矿α-FAPbI太阳能电池。具体研究进展如下:(1)首次采用电沉积PbO与FAI/异丙醇的前驱体溶液反应合成了纯相钙钛矿α-FAPbI薄膜。通过沉积参数、退火工艺和添加剂的优化制备出光滑无孔洞的α-FAPbI薄膜。同时,我们发现MABr与MACl的添加具有完全不同的作用,MACl会诱导δ-FAPbI的形成,而MABr会抑制δ-FAPbI的形成。基于MABr掺杂所制备的无电子传输层的最佳钙钛矿太阳能电池的光电转换效率高达10.73%,此结果为制备无电子传输层的钙钛矿太阳能电池探索了新的制备路径。(2)电沉积法制备钙钛矿太阳能电池具有巨大的发展潜力,而电子传输层的缺失会导致太阳能电池电子空穴提取不平衡,电池会产生较大的迟滞现象。基于此,我们通过引入Sn O电子传输层,在电子传输层上沉积PbO与FAI/异丙醇溶液反应,改变电沉积参数成功合成了钙钛矿薄膜。通过精确控制结晶过程,缩短退火时间,黄相δ-FAPbI和PbI的生成被有效地抑制。因此,我们用短时间1min退火结晶的纯α相FAPbI薄膜制备太阳能电池,展现出13.33%的高效率,这相比于长时间20 min退火的薄膜要高出32%,而且具有高的重复性。此结果表明,退火工艺的控制对调控高质量钙钛矿薄膜的成核和结晶生长非常关键。总之,我们通过电沉积方法首次合成了纯α相的钙钛矿FAPbI薄膜。通过组分调控和退火工艺的优化制备出光电转换效率为13.33%的平面结构钙钛矿太阳能电池。我们发现退火时间对电沉积法制备钙钛矿薄膜至关重要。这些研究结果为电沉积制备高性能的大面积钙钛矿太阳能电池奠定了坚实的基础。