钙钛矿太阳能电池活性层结晶性与界面研究

《钙钛矿太阳能电池活性层结晶性与界面研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、博士学位论文钙钛矿太阳能电池活性层结晶性与界面研究作者姓名：张晓楠指导教师:高兴宇、研究员、中国科学院上海应用物理研究所学位类别:理学博士学科专业:光学培养单位:中国科学院上海应用物理研究所2018年6月ResearchontheactivelayercrystallizationandtheinterfacesinperovskitesolarcellsAdissertationsubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesinpartialfulfillmentoftherequirementfo

2、rthedegreeofDoctorofPhilosophyinOpticsByZhangXiaonanSupervisor:ProfessorGaoXingyuShanghaiInstituteofAppliedPhysics,ChineseAcademyofSciencesJune2018摘要摘要在人们对自然资源的利用中，太阳能因其在地球上分布广泛且干净清洁而成为研究者们争先恐后研究的对象。光伏电池可以通过光电转换将太阳能转化为电能被人们直接使用而备受关注。在各类太阳能电池中，有机无机杂化的钙钛矿太阳能电池在最近几年的时间里迅猛发展，转换效率也

3、从最初研究发现的3.8%提高到被认证的22.7%。这种有机无机杂化的钙钛矿太阳能电池具有长的载流子扩散长度、宽的光吸收范围、带隙可调以及制备方法简单等优点，使得人们对钙钛矿太阳能电池的大面积生产以及商业化应用充满期待。但是在钙钛矿太阳能电池的研究中同时也存在着许多问题，如电池内部机理、回滞现象、大面积制备与长期稳定性等。因此，对于钙钛矿太阳能电池来说，依然有着许多值得深入研究的内容，以促进钙钛矿太阳能电池的进一步发展。本文采用一步旋涂法制备钙钛矿薄膜，分别通过前驱体溶液与反溶剂工艺的对比，以及在前驱体溶液中加入添加剂，深入研究并全面分析了制备工艺对

4、钙钛矿薄膜的影响；同时在钙钛矿薄膜上蒸镀有机分子，研究了钙钛矿薄膜与传输层界面的能级结构。研究结论如下：1)在一步旋涂法制备钙钛矿薄膜过程中，前驱体溶液中的二甲基亚砜（DMSO，Dimethylsulfoxide）与旋涂过程中反溶剂的使用将会对薄膜的表面形貌与结晶性产生重要影响。因此，我们在大气环境下通过采用钙钛矿薄膜前驱体溶液中是否添加DMSO以及薄膜旋涂过程中是否使用反溶剂乙醚的不同组合，制备了四种钙钛矿薄膜，并对这四种薄膜采用掠入射X射线衍射（GIXRD，Grazingincidencex-raydiffraction）进行了同步辐射原位加热

5、实验。研究发现薄膜旋涂过程中反溶剂乙醚的使用使得钙钛矿薄膜的表面形貌与结晶性都得到了很大的提升，薄膜在加热过程中很快就完全形成了钙钛矿结构并且在持续加热过程中能够保持结构的稳定。而对于前驱体中含有DMSO来说，虽然在旋涂后可以形成较为稳定的中间相从而对结晶过程有一定的延缓作用，但是并不能很好地获得高质量薄膜，钙钛矿结构会随着加热温度上升与时间增加而快速分解。I钙钛矿太阳能电池活性层结晶性与界面研究研究结果有利于指导一步旋涂法制备钙钛矿薄膜改善制备工艺。2)我们将氧化石墨烯引入钙钛矿溶液前驱体溶液中，研究对钙钛矿薄膜的质量的影响，发现在前驱体中添加1

6、vol%的氧化石墨烯，形成的钙钛矿薄膜不仅晶粒变大且排列也更加紧密，器件的回滞现象也有明显降低。表明氧化石墨烯的添加不仅促进了钙钛矿晶粒的生长，而且存在于薄膜的晶界与表面大大提高了载流子的传输效率。氧化石墨烯添加得到高效率的电池器件简单有效，可以推广应用。3)有机分子N,N′-二戊基-3,4,9,10-苝二甲酰亚胺（PTCDI-C5，N,N’-Dipentyl-3,4,9,10-perylenedicarboximide）由于具有较好的光热稳定性可用于替代富勒烯衍生物PCBM（[6,6]-phenyl-C61-butyricacidmethyles

7、ter）的电子传输层材料，但是其器件效率并未有明显提升。我们用原位蒸镀方法采用X射线光电子能谱（XPS，X-rayphotoelectronspectroscopy）与紫外光电子能谱（UPS，ultravioletphotoelectronspectroscopy）研究钙钛矿与PTCDI-C5的界面能级结构，发现钙钛矿会与PTCDI-C5内核和N-C=O基团发生反应，形成的能级结构虽然能够使得电子从钙钛矿侧向PTCDI-C5侧的传输，但空穴阻挡效果并没有PCBM那么好。因此PTCDI-C5并不适合作为电子传输层直接用在钙钛矿光伏器件结构中，但是有可

8、能作为缓冲层通过化学反应钝化钙钛矿薄膜表面从而提高电池稳定性。关键词：钙钛矿太阳能电池，原位加热，掠入射X射线衍射，界面能