论文部分内容阅读
近年来,以甲胺基铅碘化合物(CH3NH3PbI3)为代表的有机-无机杂化钙钛矿材料成为光伏领域的新“明星”。基于此类材料的太阳电池的能量转换效率经过5年的发展从2009年的3.8%极速攀升到目前新闻报道的20.1%,效率进步之快令人赞叹。更重要的是,钙钛矿原料丰富价格低廉,可溶液制备大面积、柔性光电器件。针对高质量的钙钛矿薄膜及太阳电池器件制备的可重复性差、器件稳定性差等问题,我们探索了高质量、高覆盖率、良好可重复性钙钛矿薄膜的制备工艺,实现了具有高效率、良好可重复性、较好稳定性的平面异质结结构钙钛矿太阳电池的制备。本文的主要内容:1.通过比较两种不同的退火方法(一步直接退火法和多步缓慢退火法)制备的CH3NH3PbI3-xClx钙钛矿薄膜的结构形貌、光电特性及对应器件的光伏性能,我们发现多步缓慢退火法是一种普适的可以制备高效可重复的平面异质结结构钙钛矿太阳电池的有效方法。采用这种方法制备的平面异质结结构钙钛矿太阳电池给出了13.58%的最高效率,相较于一步直接退火法制备的器件8.65%的效率提升了57%。我们提出的优化了的退火方法可以保证高质量的钙钛矿薄膜的可重复性制备。2.通过进一步精细地控制退火温度和时间,我们得到了几乎100%覆盖率和晶体高度取向的CH3NH3PbI3-xClx钙钛矿薄膜。由此,制备出了平均效率12.0%、最高效率15.17%的平面异质结结构钙钛矿太阳电池。高覆盖率保证了充分的光吸收,避免了可能的短路发生。高度取向的晶体非常有利于电子和空穴高效地向各自对应的电极输运。鉴于此方法制备的薄膜高度的晶体取向性,各向异性的电子传输特性模型首次提出用以解释所观察到的优良的光伏性能。在此制备方法的基础上,通过对其他功能层的优化可以预期更好的器件性能。3.针对常规平面异质结结构器件稳定性比较差的问题,展开实验并发现了部分原因。掺入spiro-Me OTAD中的各种溶剂和溶质都多少对钙钛矿具有溶解和破坏作用,特别是极易吸湿的锂盐(Li-TFSI)通过吸收空气中的湿气而对钙钛矿进而整个器件性能具有很大的破坏作用,乙腈也有溶解和分解钙钛矿的作用。作为替换,采用与spiro-Me OTAD共溶于氯苯的强氧化剂F4-TCNQ作为空穴传输层的p型掺杂剂,成功制备出最高效率10.59%的平面异质结结构钙钛矿太阳电池,而且器件具有比基于Li-TFSI掺杂spiro-Me OTAD作为空穴传输层的同类器件具有更好的稳定性。