毕业论文答辩稿.docx

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1、尊敬的各位评委老师：大家上午好！我叫ＸＸＸ，来自材料科学与工程专业2012-2班。我的毕业论文题目为《钙钛矿太阳能电池薄膜形貌调控与光电性能研究》，我的导师是朱磊老师。现在请允许我向各位老师展示我的答辩内容。我的答辩内容主要由绪论、研究工作、实验分析、结论四部分组成。首先我向各位老师展示的是绪论部分。钙钛矿太阳能电池自2009年问世以来，发展迅猛，而光吸收材料一直是研究的重点和难点，其中又以钙钛矿甲胺铅碘为主。它的制备方法很多，应用最广的是溶液法和气相沉积法。如果在钙钛矿中掺杂Cl元素，部分替代I元素，可以起

2、到延长激子扩散长度，改变带隙，提高电池光电性能的作用。基于这样的背景开展我的研究。接下来请大家跟我一起看下钙钛矿太阳能的结构和工作原理。如图所示，钙钛矿太阳能电池主要由导电玻璃、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、金属电极这五部分组成。当电池接收光照时，钙钛矿吸收光子，产生电子和空穴。然后电子从钙钛矿层的导带传输到电子传输层的导带，再输送到导电玻璃，经由外电路与从空穴传输层传输到金属电极的空穴相结合，形成光电流。在这些基本理论的指导下，开始了我的研究。先合成氯甲胺作为氯源，再用两步法沉积光吸收层，接着向甲胺铅碘

3、中掺杂Cl元素，最后改变掺杂量，研究其对钙钛矿膜形貌和光电性能的影响。接下来的部分是研究内容和主要工作。最先我需要合成碘甲胺和氯甲胺，这用于后面的钙钛矿制备。因这两种物质的合成方法类似，这里就以合成碘甲胺为例。如图，在N2和冰浴下发生化合反应，然后通过旋转蒸发、乙醚纯化和真空干燥得到纯净的碘甲胺粉体接下来开始电池的制备过程，首先需要对导电玻璃进行刻蚀和清洗。如图，先切割玻璃，再用稀盐酸和锌粉的反应腐蚀玻璃，最后用去离子水冲洗，无水乙醇、异丙醇、丙酮超声清洗两遍。刻蚀的目的是为了防止在测试时，电池内部发生短路。

4、接着在处理好的导电玻璃上制备致密层，用来传输电子。我制备致密层主要采用磁控溅射法和旋涂法。先向大家介绍磁控溅射法。我调控了溅射气压、溅射功率、溅射时长这三个参数进行研究。在实验中，磁控溅射法很容易出现TiO2膜太厚和膜的电导率差别太大这两个显著问题。通过进一步优化工艺，最后解决了该问题，确定了下面这一组最佳工艺参数。随后我又使用了旋涂法。旋涂法是基于溶液过程的，先配置TiO2浆料，然后在匀胶机旋涂浆料，接着在130℃下预热处理，最后进行如图所示的退火结晶。我这样热处理的原因是，在130℃下预热蒸发有机物，干燥

5、旋涂层。分段式加热是为了减缓升温速度，防止晶体生长过快，形成粗大晶粒。在450℃下，TiO2由无定形态变为锐钛矿。退火后就得到电子传输层，接着我在其上用两步法沉积光吸收层。这是我研究的重点。在正式沉积膜之前，我需要配制不同浓度的前驱体溶液和10mg/mL的碘甲胺异丙醇溶液。如表所示，称取碘化铅溶于DMF中，再向溶液中掺入前面制备的氯甲胺，制成掺杂的前驱体溶液。准备好溶液后，按照流程图，先沉积PbI2膜，再将PbI2浸润到碘甲胺异丙醇溶液中，处理得到掺杂的钙钛矿膜。转速、时间和温度的具体值如文中所列。至此成功制

6、备光吸收层。要完成对电池的组装还要制备空穴传输层、真空蒸镀金属电极和光阳极焊铟。最终得到左下图这个电池试样。电池组装完成后，自然就需要对其进行表征。我的表征方法有：XRD、SEM、紫外吸收光谱、IPCE测试、J-V曲线测试。在开始数据分析之前，我先简单介绍一下钙钛矿太阳电池的基本物理参数，主要有：开路电压、短路电流密度、填充因子、转换效率、量子转换效率。接下来开始我的实验数据分析部分。先来看下PbI2层的XRD图谱。12.7°是PbI2的特征衍射峰位置，从b图可以看出，随着掺杂量的增加，膜中的PbI2量逐渐减

7、少。而在钙钛矿层中，PbI2是以杂质的形式存在，从钙钛矿层的XRD图谱中可以找到PbI2的特征衍射峰。过多残留对电池性能的提升是不利的。从b图中可以发现，增大掺杂量，钙钛矿的结晶性先增后减。掺杂量为0.1和0.15mmol时的结晶性最好。接着我们来看PbI2膜的SEM图。从a到e分别为掺杂量逐渐增多的微观形貌照片。可以明显看到有不同尺寸的微孔，这对后面钙钛矿晶体的生长影响很大。随着掺杂量的增多，微孔尺寸和数目先减后增。f图是不同掺杂量PbI2膜的颜色变化，从颜色深度可知已形成一定量的钙钛矿晶体。再看钙钛矿膜的

8、扫描电镜照片，a到e是掺杂量逐渐增多的,f为c的局部放大图。图中晶粒的尺寸与微孔的数目、尺寸都是先减后增的，与PbI2膜上的微孔规律一致。这是因为较小的PbI2膜微孔会限制钙钛矿晶体长大，从而形成致密均匀且覆盖率高的光吸收层。G为电池的截面图，表明制备的电池具有良好的结构。这是钙钛矿层的紫外吸收光谱图。掺杂量为0.15和0.2mmol时，膜的光吸收率高于未掺杂膜，但掺杂0.25mmol时，虽然在60