基于高孔隙率介孔层及无铅钙钛矿的太阳电池研究

摘要

近年来，钙钛矿太阳电池得到广泛关注。在钛矿太阳电池中，介孔TiO2薄膜的结构特征，例如颗粒大小、薄膜厚度和孔隙率等都会对钙钛矿太阳电池的性能产生影响。孔隙率高的TiO2薄膜可以提高钙钛矿在介孔中的渗透，从而增加光吸收，提高短路电流密度。同时，介孔TiO2薄膜和钙钛矿薄膜的界面也会影响钙钛矿太阳电池的光电转化效率。增加介孔TiO2薄膜的比表面积和孔隙率，也能降低TiO2/钙钛矿界面的接触势垒。
　　本文在TiO2浆料中加入聚苯乙烯微球，旋涂获得TiO2薄膜，热处理去除薄膜中的PS球，制备了高孔隙率的TiO2介孔层。通过调整TiO2浆料中PS球的质量分数，改变TiO2介孔层孔隙率，探究介孔层孔隙率对钙钛矿太阳电池性能的影响。采用扫描电子显微镜、X射线衍射、瞬态荧光等对TiO2介孔层的表面形貌及钙钛矿薄膜的性能进行表征。结果表明，由于TiO2介孔层孔隙率增加，PbI2更好地渗透在TiO2介孔中，CH3NH3I(MAI)与PbI2反应更加充分，降低钙钛矿中PbI2的残留。孔隙率的增加降低了TiO2介孔层/CH3NH3PbI3(MAPbI3)钙钛矿界面的接触电阻，减小界面的载流子复合，太阳电池的短路电流密度和填充因子显著增加。当TiO2浆料中聚苯乙烯微球的质量分数为1.0wt％时，获得最高效率12.69％，比没有加入聚苯乙烯微球制备的太阳电池光电转化效率增加了25％。
　　此外，MAPbX3型钙钛矿一个非常大的缺点是Pb元素有毒，未来钙钛矿太阳电池发展的重要方向之一是用其他无毒的元素替代Pb。MA3Bi2I9因其高稳定性引起研究者的注意。现在制备MA3Bi2I9钙钛矿多采用一步溶液法，这种方法制备出的钙钛矿晶粒与晶粒之间的界限明显，缝隙较多，钙钛矿薄膜表面粗糙度大，光电转化效率较低。
　　本文采用气相辅助溶液法获得了晶粒尺寸大、表面粗糙度低、表面覆盖率高的MA3Bi2I9钙钛矿薄膜，并组装电池获得了0.107％的光电转化效率。为了进一步优化MA3Bi2I9钙钛矿电池的效率，改变BiI3溶剂，分别采用平板结构和介孔结构制备电池。结果表明，以DMF为溶剂的BiI3薄膜平整度好，MA3Bi2I9钙钛矿颗粒大小均匀，覆盖率高。去掉介孔层后，电池的短路电流明显提升，从0.48mA提高到0.55mA，光电转化效率也增加了50％。在MAI中掺入HC(NH2)2I(FAI)制备混合阳离子MAxFA1-xBi2I9钙钛矿，减小钙钛矿的带隙，增加钙钛矿在长波段的吸收，从而提高电池的短路电流，获得了0.170％的光电转化效率。

目录

声明

摘要

1．1 太阳电池概述

1．2 钙钛矿太阳电池的历史及研究现状

1．3 钙钛矿太阳电池的结构与工作原理

1．3．1 钙钛矿材料的结构与性质

1．3．2 空穴传输层

1．3．3 电子传输层

1．3．4 钙钛矿太阳电池的等效电路以及性能参数

1．4 选题背景及意义

1．5 本文的主要工作

第2章 实验设备和表征手段

2．1 实验试剂与仪器

2．2 测试与表征

第3章 TiO2孔隙率变化对钙钛矿电池的影响

3．1 引言

3．2 实验过程

3．3 介孔TiO2薄膜的表征

3．4 介孔TiO2孔隙率对钙钛矿层生长的影响

3．5 钙钛矿太阳电池的性能表征

3．6 本章小结

第4章 气相辅助溶液法制备MA3Bi2I9

4．1 前言

4．2 实验过程

4．3 制备方法对MA3Bi2I9钙钛矿太阳电池性能的影响

4．4 MA3Bi2I9钙钛矿太阳电池的性能优化

4．4．1 溶剂对MA3Bi2I9钙钛矿薄膜的影响

4．4．2 介孔层的影响

4．5 混合阳离子MAxFA1-xBi2I9钙钛矿太阳电池

4．6 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢