钙钛矿太阳能电池的添加剂工程.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘 要 太阳能取之不尽用之不竭，一直是备受瞩目的可再生能源之一，通过太阳能 电池的光生伏打特性便能将太阳能直接转换为电能，并且其环保性远高于传统的 火力发电。目前商业化运用最广泛的太阳能电池是硅基太阳能电池，但是复杂的 提纯和精确的掺杂工艺使得硅基太阳能电池的制备成本一直居高不下，这也是造 成硅基太阳能电池发电成本高于传统的火力发电的主要原因。相比之下，可溶液 法制备的第三代太阳能电池可以通过印刷工艺制备，这将极大地提高太阳能电池 的生产效率，降低生产成本，具有非常广阔的运用前景。其中最具有代表性的是 钙钛矿太阳能电池和有机太阳能电池，这两种太阳能电池都具有良好的机械柔性， 与卷对卷工艺十分兼容，尤其是钙钛矿太阳能电池，仅仅经过十年的发展光电转 换效率就达到了 23.7%，已经超过了多晶硅太阳能电池的 22.3% ，正在逐步逼近 单晶硅太阳能电池的 26.6% 。 虽然钙钛矿太阳能电池具有光电转换效率高，可溶液法制备等优点，但是其 发展时间短，离实际的大面积制备还有一定的距离，还有许多的问题需要解决， 调控钙钛矿薄膜的质量就是其中之一。由于钙钛矿的晶体生长动能受试剂纯度、 试剂的摩尔比、反应溶剂、后处理溶剂、干燥条件，退火温度等诸多因素影响， 钙钛矿的薄膜质量很难控制，科研工作者门采用了很多方式来解决这个问题，比 如添加剂工程，界面工程，溶剂退火等，在这些控制吸光层形貌的方法中，通过 添加剂和钙钛矿组分的物理或者化学作用来调控钙钛矿晶体的结晶过程是最简单 高效的。本文创新性地在钙钛矿活性层中引入苯酚添加剂，明显地改善了钙钛矿 的结晶过程，减少了晶体缺陷，在经过萃取和热退火的处理过程后，苯酚会从活 性层中挥发掉，不会形成杂质缺陷，最终将太阳能电池的光电转换效率提升了 20% 。与其他添加剂不同的是，苯酚添加剂不需要精确控制添加量，这与工业生 产具有良好的兼容性。 为了深入探讨苯酚添加剂在钙钛矿晶体生长过程中产生的作用，本文对有无 引入苯酚添加剂的钙钛矿吸光层进行了一系列的表征分析。扫描电子显微镜的测 试结果表明苯酚的引入明显地改善了钙钛矿的结晶情况，提高了大晶粒的比例。 X 射线衍射图谱表明苯酚并没有使钙钛矿的晶体结构发生变化，但明显地增大了 晶粒尺寸。瞬态和稳态的荧光光谱分析表明大晶粒比例的提升有利于减少晶界缺 陷，提高载流子寿命。苯酚和钙钛矿组分混合物的核磁共振氢谱，X 射线衍射图 谱，紫外-可见光吸收光谱等数据表明苯酚和碘化铅之间存在着配位作用，这种化 学作用改善了钙钛矿的结晶情况，使得晶粒尺寸明显增大。后期液相质谱和核磁 I 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 共振氢谱分析表明，经过萃取，退火等工艺后，苯酚会完全挥发掉，不会在吸光 层中形成杂质缺陷。综合以上表征结果，本文得出太阳能电池性能提升的主要原 因是苯酚中的氧原子和碘化铅中的铅原子的配位作用改善了钙钛矿的结晶过程， 使得晶粒尺寸变大，减少了由于晶界缺陷引起的载流子复合，同时由于苯酚的沸 点比宿主溶剂要低，器件制备过程中苯酚会挥发掉，不会形成杂质缺陷，并且苯 酚做添加剂时不用精确控制添加剂的量，这十分适用于规模化的工业生产过程。 另外，本文的工作也为钙钛矿的结晶控制提供了一种可行的方法。 关键词：钙钛矿太阳能电池；晶体生长；添加剂工程；苯酚；缺陷钝化 II 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 Abstract