空氣中鈣鈦礦電池的制備及薄膜性質的研究.pdf

1、有機/無機雜化鈣鈦礦材料具有光吸收范圍廣、載流子遷移率高、電子空穴擴散長度長、容易制備等優(yōu)點，是一種較為理想的太陽能電池材料。近年來，有機/無機雜化鈣鈦礦太陽能電池在制備方法、電池結構、材料性質等研究領域均取得了豐碩的研究成果。通過不斷的優(yōu)化電池制備工藝和電池結構，短短幾年的時間里，鈣鈦礦電池的效率超過了20％，顯示出極大的發(fā)展?jié)摿?。雖然鈣鈦礦材料能夠制備出高效率的太陽能電池，但是有機/無機雜化鈣鈦礦材料對水等極性溶劑比較敏感，晶體結構

2、很容易被極性溶劑破壞且不能恢復，這一特點對電池的性能、穩(wěn)定性有著極為不利的影響，也對電池的制備環(huán)境提出了較高的要求。目前，大部分的高效率電池都在手套箱等無水的環(huán)境下制備獲得，這不僅使鈣鈦礦電池制備操作更復雜，還阻礙了鈣鈦礦電池產業(yè)化的進程。因此研究鈣鈦礦電池在空氣中制備的條件和空氣中鈣鈦礦薄膜的性質，對于降低鈣鈦礦電池的制備成本、研究鈣鈦礦電池穩(wěn)定性有重要的意義。本文重點探究空氣中高效鈣鈦礦電池制備方法和薄膜性質的變化，主要內容包括四個

3、方面：
　　1、CH3NH3PbI3-xClx和CH3NH3PbI3是廣泛用于制備鈣鈦礦電池的兩種材料。XRD表征結果證實，我們在空氣中使用一步旋涂法成功制備出了這兩種鈣鈦礦薄膜。研究發(fā)現(xiàn)，由于空氣中制備的CH3NH3PbI3薄膜表面覆蓋率不高，制備的電池效率很低。相比之下，CH3NH3PbI3-xClx薄膜晶粒之間連接更加緊密，表面覆蓋率更高，能夠在空氣中制備出較高效率的電池。在此基礎上，以CH3NH3PbI3-xClx作為活性

4、層，深入研究了空氣中介孔鈣鈦礦電池和平面鈣鈦礦電池的制備條件。通過逐步退火的方法（70℃退火30 min，再100℃退火15 min）對鈣鈦礦薄膜進行熱處理，獲得了轉換效率7.22%的介孔電池。平面結構鈣鈦礦電池（ITO/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3-xClx/PCBM/C60/Al）也獲得了4.66%的效率。
　　2、一步旋涂法由于操作簡便，是制備鈣鈦礦電池的常用方法之一。而在相對濕度較大的空氣中，由于水分對鈣鈦礦薄

5、膜成核過程的影響，一步旋涂法很難制備出致密的鈣鈦礦薄膜以獲得高效率的鈣鈦礦電池。利用真空退火能夠在非手套箱環(huán)境中制備出高性能太陽能電池所需的鈣鈦礦薄膜。在真空中由于溶劑快速揮發(fā)，鈣鈦礦薄膜在結晶的過程晶核數(shù)量增加，能夠形成致密的鈣鈦礦薄膜。使用這種退火方式熱處理鈣鈦礦薄膜，在50%左右的相對空氣濕度的條件下制備出了轉換效率12.98%的平面結構（ITO/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3-xClx/PCBM/C60/Al）鈣鈦礦電

6、池，獲得1.02 V的開路電壓和18.00 mA/cm2的短路電流。而同種環(huán)境下，直接在空氣中熱退火制備的平面電池最高轉換效率只有9.2%。電池的穩(wěn)定性也是衡量鈣鈦礦電池性能好壞的重要標準，本文中用不同熱退火方式制備的鈣鈦礦電池，在手套箱中都表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，在近1000小時的跟蹤測量中，電池的開路電壓和短路電流基本保持不變。
　　3、真空處理鈣鈦礦薄膜雖然能夠在空氣中獲得較高效率的鈣鈦礦電池，但不同的真空處理方式對鈣鈦礦薄膜的

7、晶粒大小和表面覆蓋率有很大的影響，制備出來的電池性能也存在較大的差異。四種不同真空處理方式（1、95℃真空退火90 min。2、常溫真空（10pa左右）處理10 min，再95℃真空熱退火90 min。3、常溫真空（10pa左右）處理10 min，再95℃空氣中熱退火90 min。4、95℃空氣中熱退火90 min）制備的電池效率分別為13.44%、11.44%、8.13%、7.96%。通過對比可以看到，直接真空熱退火能夠在空氣中獲得更

8、高效率的電池。研究發(fā)現(xiàn)，即使是直接真空熱退火鈣鈦礦薄膜，如果薄膜旋涂后在空氣中暴露的時間過長或真空熱退火后薄膜在高溫下直接接觸空氣，也會導致制備的電池效率不高。
　　4、鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性和效率與鈣鈦礦薄膜的性質密切相關。在前面的實驗過程中發(fā)現(xiàn)，旋涂的薄膜在與空氣接觸的過程中不斷發(fā)生變化。針對這一現(xiàn)象進行了更細致的研究：薄膜旋涂后在空氣中放置10 min，會生成一種花斑纖維狀的物質；薄膜旋涂后經過常溫真空處理，在接觸空氣的2 mi