论文部分内容阅读
自2009年日本科学家宫坂力（Tsutomu﹒Miyasaka）等人首次将钙钛矿材料用于染料敏化太阳能电池（DSSC）中成功制备出光电转换效率为3.8%的光伏器件以来,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（Organic-inorganic hybrid perovskite solar cell）便成为了研究热点。由于具有高的吸光系数和载流子迁移率,以及长的载流子传输距离,同时易加工制备等优点,CH3NH3PbX3（X=I,Br,Cl）作为著名的吸光层材料,多年来被众多研究者采用。在短短几年时间里,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率（PCE）从最初的3.8%迅速提升到了24.2%,越来越接近其理论极限效率31%。借此,钙钛矿太阳能电池甚至被Science杂志评为21世纪十大最具研究潜力的方向之一。虽然近几年钙钛矿太阳能电池的研究取得了许多不错的成果,但也存在许多问题。首先,光、热、水分等往往诱导钙钛矿有机官能团发生不可逆衰减,进而导致钙钛矿太阳能电池稳定性较差,这个问题始终没有得到很好地解决,这严重地限制了钙钛矿太阳能电池的商业化进程。其次,钙钛矿太阳能电池光电转换效率需要继续提高,就必须制备更高质量的钙钛矿薄膜,用以产生更多的载流子。同时,载流子的提取和传输过程必须得到更有效的改善,以得到PCE更高的钙钛矿太阳能电池,这两个点缺一不可。为此,本研究进行了两项工作。一是使用微波后退火处理吸光层代替传统的纯热退火处理,得到高质量的钙钛矿薄膜。二是引入一种具有超窄带隙的非富勒烯有机物IEICO-4F,进行修饰促进吸光层电荷的提取和传输,进一步提升钙钛矿太阳能电池的光电性能。具体工作内容如下。（1）钙钛矿薄膜的质量严重制约着钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。目前,得到高质量的钙钛矿薄膜方法主要是钙钛矿材料成分替代和钙钛矿薄膜退火工艺的改进等。因此,作者开发出了一种非常规微波后退火处理方法对钙钛矿薄膜进行退火。一方面,利用传统梯度退火为钙钛矿薄膜生长提供的环境,来调控钙钛矿薄膜中的Cl/I比例。另一方面,针对传统热退火方法中后期容易导致钙钛矿晶粒收缩,进而产生较多的针孔和缺陷的现象。作者用微波后退火方法处理钙钛矿薄膜,从而得到致密、光滑、大晶粒的钙钛矿薄膜。这种处理方法主要得益于微波的均匀加热特性。同时,微波作为一种高频震荡的电磁波,可以在完成钙钛矿薄膜退火的过程中,为钙钛矿结晶的有序化提供外场。因此,加热和外场的共同作用可以改善结晶行程的奥斯瓦尔德过程,得到更高质量的钙钛矿薄膜。此外,该工作通过调控微波作用功率和时间,实现了精确控制钙钛矿薄膜形貌生长过程,得到更致密、光滑和少针孔的钙钛矿薄膜。用该钙钛矿薄膜制备的平面正置CH3NH3PbIxCl3-x器件的光电效率达到了13.39%,明显高于参考器件的11.58%。而且微波后退火处理后钙钛矿太阳能电池在空气中的稳定性也明显高于参考器件。（2）针对钙钛矿太阳能电池中较差界面接触从而导致较大的界面电荷复合损失,进而严重影响器件光电性能的现象,作者尝试了吸光层与空穴传输层之间的修饰,以促进载流子更为有效地提取和传输,最终提升钙钛矿太阳能电池的光电性能。为此,作者在钙钛矿太阳能电池中引入了一种具有超窄带隙的非富勒烯材料IEICO-4F,将其溶解在氯苯中作为反溶剂处理钙钛矿薄膜。IEICO-4F处理钙钛矿薄膜后,增大了钙钛矿晶粒尺寸,钝化膜内缺陷。同时,其在钙钛矿层和空穴传输层之间特殊的界面桥式分布结构促进了载流子更有效地提取和传输。实验结果表明,当浓度为1.5 mg/ml时,器件光电转换效率达到最高的20.63%,但是,使用纯氯苯作为反溶剂的钙钛矿太阳能电池,其光电转换效率仅有18.66%。