新型鈣鈦礦電池的化學(xué)氣相沉積制備及其光伏性能研究.pdf

1、近年來，高效率、低成本的新型有機(jī)/無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池異軍突起，引起了極大地關(guān)注。鈣鈦礦電池主要是以甲胺鉛碘(CH3NH3PbI3)為光吸收層的新型太陽能電池，而CH3NH3PbI3由于具有較高的光吸收系數(shù)、合適的直接帶隙、優(yōu)良的載流子傳輸性能和高的缺陷容忍性，被公認(rèn)為是極具發(fā)展前景的新一代光伏材料。目前，CH3NH3PbI3光吸收層薄膜的制備一般采用真空熱蒸發(fā)法和非真空溶液法兩種。其中，真空熱蒸發(fā)法存在設(shè)備昂貴、制程復(fù)雜等缺點(diǎn);而

2、溶液法也存在液相反應(yīng)控制困難，經(jīng)常導(dǎo)致薄膜出現(xiàn)粗糙多孔、覆蓋不完全等缺陷，對器件光伏性能影響極大。因此，急需研究并開發(fā)出簡單的新型薄膜制備工藝，以推動鈣鈦礦電池的發(fā)展及商業(yè)化應(yīng)用。
　　本論文中，我們創(chuàng)新性的采用低成本、操作簡單、可大面積應(yīng)用的化學(xué)氣相沉積工藝(CVD)來制備CH3NH3PbI3光吸收層。同時(shí)對薄膜進(jìn)行系統(tǒng)表征以優(yōu)化制備工藝，進(jìn)而成功研發(fā)出高效率鈣鈦礦光伏器件。本論文主要包括:
　　第一，采用新型的低壓化學(xué)氣

3、相沉積(LPCVD)方法制備出高質(zhì)量CH3NH3PbI3薄膜，通過溫和的氣相-固相(G-S)反應(yīng)，有效解決了無機(jī)薄膜PbI2與有機(jī)基團(tuán)CH3N3HI之間超快插層反應(yīng)速率問題，避免薄膜出現(xiàn)粗糙、多孔及不完全覆蓋等缺陷。研究表明，LPCVD法制備的鈣鈦礦薄膜具有致密度高、結(jié)晶性能好、光吸收強(qiáng)及載流子擴(kuò)散長度長等優(yōu)點(diǎn)。更為重要的是，LPCVD方法制備出的鈣鈦礦薄膜具有較好的濕度容忍性，甚至在高溫、激光照射的情況下仍能穩(wěn)定不分解。基于所制備的高

4、質(zhì)量光吸收層薄膜，我們在高濕度開放環(huán)境下研制出效率達(dá)12.73％的光伏器件。
　　第二，采用更為簡單可控的原位化學(xué)氣相沉積(ITCVD)方法制備出4cm×4cm的大面積鈣鈦礦薄膜，并且初步制備出電池器件，獲得了12.2％的光電轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，我們首次發(fā)現(xiàn)了氣相輔助法制備鈣鈦礦太陽能電池中有趣的J-V曲線翻轉(zhuǎn)“roll-over”現(xiàn)象。通過EIS、C-V和XPS等測試表明:鈣鈦礦太陽能電池中未被報(bào)道的PbI2/CH3NH3PbI3異

5、質(zhì)結(jié)是導(dǎo)致該現(xiàn)象產(chǎn)生的主因，該發(fā)現(xiàn)有助于更好的理解新型鈣鈦礦太陽能電池的工作機(jī)理。
　　最后，利用新穎的CH3NH3Cl輔助兩步化學(xué)氣相沉積(STCVD)方法制備出更高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜，并且詳細(xì)的研究了Cl元素在G-S反應(yīng)過程中所起的作用。研究發(fā)現(xiàn)，CH3NH3C1可以快速的與PbI2薄膜發(fā)生反應(yīng)，修復(fù)其溝壑缺陷，并細(xì)化晶粒成為種子晶模版，進(jìn)而制備出致密、均勻、晶粒尺寸超大的高品質(zhì)CH3NH3PbI3薄膜，從而可以減少晶界處的電荷

6、復(fù)合，顯著提高電池光伏性能。與常規(guī)氣相沉積的器件性能相比，STCVD法制備電池的開路電壓(Voc)平均值從0.915V提升到1.001V，電池最佳效率從10.29％提高到13.76％，達(dá)到了目前氣相制備的較高水平。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn):STCVD方法制備的電池具有良好的穩(wěn)定性，未封裝器件在大氣環(huán)境下存放48天后，仍有4.15％的效率。由此可見，在本論文中STCVD法已初步實(shí)現(xiàn)了高效、穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池的可控制備。同時(shí)，還揭示了C1元素對鈣鈦