溶剂工程对钙钛矿光吸收层结晶过程的调控及器件光电性能的研究

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1、中图分类号：O469单位代号：10280密级：公开学号：15720093硕士学位论文SHANGHAIUNIVERSITYMASTER’SDISSERTATION溶剂工程对钙钛矿光吸收层题结晶过程的调控及器件光电目性能的研究作者贾福金学科专业凝聚态物理导师郭艳群完成日期2018年5月上海大学硕士学位论文I上海大学硕士学位论文II上海大学硕士学位论文上海大学物理学硕士学位论文溶剂工程对钙钛矿光吸收层结晶过程的调控及器件光电性能的研究姓名：贾福金导师：郭艳群学科专业：凝聚态物理上海大学理学院二零一八年五月III上

2、海大学硕士学位论文ADissertationSubmittedtoShanghaiUniversityfortheDegreeofMasterinPhysicsStudyoncontrolofperovskitecrystallizationprocessbysolventengineeringandphotoelectricpropertiesofdevices/MACandidate：FujinJiaSupervisor：YanqunGuoMajor：CondensedMatterPhysicsColl

3、egeofScience,ShanghaiUniversityMay,2018IV上海大学硕士学位论文摘要在过去的几年里，有机金属卤化物钙钛矿材料由于其直接带隙、吸收系数高、双极性载流子扩散、弱激子束缚能和长的载流子扩散长度等优势，成为制备低成本、高效率的太阳能电池最有前途的材料之一。钙钛矿太阳能电池从2009年发展至今，其效率从最初的3.8%迅速增长到22.1%，达到多晶硅电池的水平。尽管钙钛矿材料有诸多固有优势，且钙钛矿太阳能电池的发展取得了巨大进步，但依旧迫切需要发明一种简单、可控的钙钛矿制备工艺，实

4、现钙钛矿薄膜的高质量和重现性。本文对钙钛矿太阳能电池中的钙钛矿光吸收层进行了一系列的实验和分析。其主要工作和成果如下：（a）为了避免在常规一步旋涂法制备基于平面衬底的钙钛矿薄膜过程中产生不可控的非连续覆盖的薄膜形貌，我们通过溶剂工程对一步法工艺进行改进制备出了表面几乎全覆盖的高质量钙钛矿薄膜。首先，我们通过在MAPbI3/DMF前驱体溶液中加入适量HI水溶液提高MAPbI3在DMF/HI混合溶剂的溶解度，延长MAPbI3在旋涂过程中的成核时间，制备出了相对致密但表面未完全覆盖的MAPbI3钙钛矿薄膜。原因是

5、在MAPbI3晶体开始成核时，DMF/HI混合溶剂中更高的MAPbI3浓度（过饱和度）导致钙钛矿薄膜质量的改善以及更高的表面覆盖率。为了进一步获得表面全覆盖的致密MAPbI3薄膜，我们在旋涂MAPbI3前驱液过程中通过引入反溶剂（氯苯）进一步控制钙钛矿的结晶过程。MAPbI3钙钛矿薄膜的形貌得到进一步改善，得到了表面全覆盖的致密MAPbI3薄膜，从而优化了钙钛矿活性层。（b）在传统的两步连续沉积钙钛矿过程中，PbI2薄膜被浸泡到MAI溶液中30s得到高效的MAPbI3钙钛矿光吸收层。本论文中，我们利用紫外-

6、可见分光光度法以及X射线衍射方法，研究了两步连续沉积过程中PbI2向MAPbI3的转化随浸泡时间的演化过程。此外，我们还研究了浸泡时间对介观结构钙钛矿太阳能电池光伏性能的影响。实验结果表明，随着浸泡时间的增加，PbI2转化为MAPbI3的程度越来越高，但是过长的浸泡时间会破坏钙钛矿太阳能电池的性能。V上海大学硕士学位论文（c）尽管两步连续沉积方法为制备可重复性高的高质量钙钛矿薄膜提供了一种有效途径，但仍然存在PbI2不能完全转化为MAPbI3的问题。根据先前的研究，我们认为PbI2与MAI溶液反应生成MAP

7、bI3的过程涉及MAI溶液的扩散、渗透、接触和反应四个阶段。本论文中，我们通过对PbI2液态前驱膜的溶析结晶处理以及随后的延时热退火处理（老化处理）调节PbI2的过饱和度，实现了PbI2向MAPbI3的快速完全转化。通过这种方法制备的多孔PbI2薄膜有利于MAI溶液向PbI2薄膜内部的有效扩散和渗透，进一步增强PbI2和MAI溶液在整个薄膜内部的接触和反应，导致PbI2向MAPbI3的快速、完全、高效的转化，转化率达到99.9%，获得了高纯度、高结晶度、高质量的钙钛矿薄膜，提高了从可见光到近红外区域的光吸收

8、能力。采用这种方法制备的介观结构钙钛矿太阳能电池光电转换效率（PCE）从3.2%提高到约12.3%且几乎没有回滞效应。与此同时，电池的短路光电流密度（Jsc）、开路电压（Voc）和填充因子（FF）均得到不同程度的提高。关键词：钙钛矿太阳能电池；过饱和度；溶析结晶；延时热退火；多孔PbI2VI上海大学硕士学位论文ABSTRACTOrganometallichalideperovskiteshaveemergedas