新型钙钛矿平面异质结太阳能电池的制备与表征

【摘要】：能源是人类活动的物质基础,随着常规化石能源的日益枯竭,开发新的可再生能源迫在眉睫。太阳能是地球上储量最丰富的能源,利用太阳能最直接的方法是通过太阳能电池直接将太阳能转化为电能。在已经商品化的太阳能电池市场中,晶体硅太阳能电池因其高的转化效率和成熟的工艺占据了主导地位,但是由于成本高、工艺复杂、不易于大面积制造、环境污染等缺点,无机晶体硅太阳能电池还不能大规模地应用到生产生活中。自2009年来,新型钙钛矿材料(ABX3)被用作吸光层应用在太阳能电池中,引起了人们极大的关注。这种太阳能电池具有消光系数高、载流子寿命长、转换效率高、工艺简单、原材料丰富、成本低、可在柔性基底上制备等优点,具有很广阔的发展前景。论文采用一步法和二步法制备了钙钛矿活性层CH3NH3PbI3材料,并对薄膜性能进行了表征,包括X-射线衍射(XRD)、紫外-可见吸收光谱(UV-VIS)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)。讨论了一步法制备钙钛矿活性层时CH3NH3I与PbI2的摩尔比对成膜性的影响,结果显示当CH3NH3I与PbI2的摩尔比为1.2：I时得到的钙钛矿薄膜形貌最佳。当在CH3NH3PbI3前驱体溶液中加入高沸点溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)时,钙钛矿薄膜的成膜质量得到进一步提高,原因为NMP大大降低了CH3NH3PbI3的结晶速率。采用两步法制备钙钛矿活性层时,ITO/PEDOT:PSS/PbI2在CH3NH3I的异丙醇溶液中的浸泡时间对钙钛矿的成膜质量很关键,浸泡60 min后能够使CH3NH3I和PbI2完全转化为CH3NH3PbI3。在制备钙钛矿活性层的基础上进一步制备了钙钛矿太阳能电池器件(ITO/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PCBM/Ga/Al),并对其性能进行了表征。当前驱体溶液的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF),CH3NH3I与PbI2的摩尔比为1.2：1时,器件的开路电压(Voc)为0.86 V,短路电流(Jsc)为15.27 mA/cm2,填充因子(FF)为59.8%,能量转换效率(PCE)为7.85%。在前驱体溶剂中加入NMP后,器件性能得到了很大提高,制备的最优器件的光伏参数为Voc=0.822 V, Jsc=17.83 mA/cm2, FF=80.52%, PCE=11.77%。CH3NH3PbI3-xBrx前驱体溶液中加入NMP后制备的掺Br太阳能电池的最优器件参数为Voc=0.87 V, Jsc=15.77 mA/cm2, FF=80.89%,PCE=11.16%。通过二步法制备的最优器件的光伏参数为Voc=0.96V, Jsc=14.75 mA/cm2,FF=59.05%, PCE=1.38%。钙钛矿活性层很不稳定,在水分和氧气环境下容易降解,这是钙钛矿电池实际应用中面临的最大问题,论文对钙钛矿太阳能电池的稳定性进行了研究。我们通过溶剂中加入NMP制备的高质量钙钛矿薄膜,具有很好的稳定性。对放置20天的器件进行不定期测试,器件的Voc基本没变,FF只降低了3.8%,Jsc只降低了7.7%。器件效率从10.28%降低到9.02%,20天只下降了12.3%。结果表明,高质量的钙钛矿薄膜不仅可以提高器件效率,还可以提高器件的稳定性。 【关键词】：钙钛矿 平面异质结 太阳能电池 光伏性能表征 稳定性
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 引言11-32
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 太阳能电池的发展历程12-17
• 1.2.1 晶体硅太阳能电池13
• 1.2.2 硅基薄膜太阳能电池13-14
• 1.2.3 化合物半导体太阳能电池14-15
• 1.2.4 有机薄膜太阳能电池15-16
• 1.2.5 染料敏化太阳能电池16-17
• 1.3 新型钙钛矿太阳能电池17-30
• 1.3.1 钙钛矿材料简介17-19
• 1.3.2 钙钛矿太阳能电池的结构19-21
• 1.3.3 钙钛矿太阳能电池活性层的制备方法21-22
• 1.3.4 表征太阳能电池的参数22-26
• 1.3.5 钙钛矿太阳能电池的研究现状、发展动态26-30
• 1.4 本论文的主要研究内容30-32
• 2 钙钛矿太阳能电池活性层的制备及表征32-46
• 2.1 前驱体材料CH_3NH_3I的制备及表征32-33
• 2.2 一步法制备钙钛矿活性层及其表征33-43
• 2.2.1 实验所需的试剂和仪器33-34
• 2.2.2 钙钛矿CH_3NH_3PbI_3薄膜的制备及表征34-37
• 2.2.3 CH_3NH_3I与PbI_2的摩尔比对钙钛矿成膜的影响37-39
• 2.2.4 N-甲基吡咯烷酮(NMP)对钙钛矿材料成膜质量的影响39-43
• 2.3 二步法制备钙钛矿活性层及其表征43-45
• 2.3.1 二步法制备CH_3NH_3PbI_3薄膜的步骤43
• 2.3.2 PbI_2的浸泡时间对CH_3NH_3PbI_3薄膜质量的影响43-45
• 2.4 小结45-46
• 3 钙钛矿太阳能电池器件的制备及表征46-52
• 3.1 一步法制备钙钛矿太阳能电池及器件表征46-50
• 3.1.1 一步法制备钙钛矿太阳能电池的步骤46
• 3.1.2 CH_3NH_3I与PbI_2的摩尔比对器件性能的影响46-48
• 3.1.3 NMP对器件性能的影响48-50
• 3.2 两步法制备钙钛矿太阳能电池及器件表征50-51
• 3.3 小结51-52
• 4 钙钛矿太阳能电池的稳定性研究52-55
• 4.1 钙钛矿太阳能电池的稳定性研究52-54
• 4.2 小结54-55
• 5 总结与展望55-58
• 5.1 总结55-56
• 5.2 展望56-58
• 参考文献58-67
• 致谢67-68
• 个人简历68-69
• 发表的学术论文69

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