旋涂钙钛矿电池中薄膜的椭偏分析研究

作     者：孙晓娟 

作者单位：曲阜师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韩培高

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0702[理学-物理学] 

主      题：椭圆偏振光谱 介电函数 钙钛矿薄膜 掺氟的二氧化锡 二氧化钛 

摘      要：以CsPbBr钙钛矿太阳能电池为代表的新一代的钙钛矿太阳能电池因具有稳定性好且带隙合适、制备成本低等优点而被广泛研究。但大多数的研究聚焦在材料掺杂、有机-无机杂化以及制备工艺的改进等,对电池中各子层光学参数的研究较少。而薄膜的复折射率、孔隙率、带隙、界面粗糙度等参数对提高光的有效吸收率、优化电池结构设计、改进制备工艺等具有重要意义。椭偏光谱技术作为无损、非接触、可在线监测的灵敏光学检测技术,它测量入射光经过反射后偏振态的变化,利用薄膜的光学结构模型与材料色散模型的拟合计算,得到材料的复折射率或者复介电函数、光学带隙,以及薄膜的子层结构、孔隙率、界面层厚度及表面粗糙度等光学特征。本文以椭圆偏振光谱的测量与分析为基础,结合其他测试手段,研究了钙钛矿太阳能电池结构中的透明导电层、电子传输层和钙钛矿光吸收层的光学特征。主要研究内容概括如下:(1)钙钛矿太阳能电池中透明导电层掺氟二氧化锡(FTO)薄膜的椭偏光谱分析。FTO薄膜为多层复杂结构,其浮法玻璃的衬底亦存在锡的梯度扩散层,论文提出了原位共角椭偏与反射结合的方法,对其进行椭偏的分析与验证。利用Cauchy色散模型对玻璃衬底的椭偏光谱进行了表征,并得到了其介电函数。通过椭偏测试并结合原位共角反射谱、SEM等测试,建立了玻璃/Sn O/Si O/FTO/粗糙层的光学结构模型,并利用Classical Oscillation色散模型对FTO薄膜进行表征,最终通过拟合得到了Sn O层、Si O层、FTO层和粗糙层的厚度,各子层中材料的介电函数以及FTO的光学带隙。(2)钙钛矿太阳能电池中电子传输层Ti O薄膜的可控旋涂制备与椭偏光谱分析。采用溶胶-凝胶法,通过优化制备参数,实现了1到6层的Ti O薄膜的等厚旋涂。利用New Amorphous色散模型对Ti O薄膜进行表征,获得Ti O薄膜中孔隙占比在15%左右,且基本不随旋涂层数变化,每层的旋涂厚度均约为8.9 nm,实现了薄膜厚度可控,并最终得到了Ti O材料以及薄膜的介电函数。(3)钙钛矿太阳能电池中光吸收层Cs Pb Br薄膜的旋涂制备及椭偏光谱分析。采用多步旋涂法,分别在FTO基底和Si基底上制备了Cs Pb Br薄膜。当Cs Br旋涂5次时,形成了结晶度较高的Cs Pb Br薄膜;实验研究表明,基底的平整度对最终制得薄膜的均匀性有一定影响。对硅基底上制备的Cs Pb Br进行了变角度(60°、65°和70°)椭偏光谱测试与拟合分析,建立了Si/Si O/Cs Pb Br/粗糙层的光学结构模型,采用Tauc Lorentz三振子模型和Tanguy色散模型的组合模型对Cs Pb Br的介电函数进行了拟合,得到了介电函数曲线,并根据介电函数的临界点模型,观察到了2.39 e V和3.44 e V处的两个临界点。