高质量混合离子钙钛矿薄膜的制备及太阳能电池的性能研究

• 作 者: 李登
• 出 处: 浙江理工大学
• 发表日期: 2020年02期
• 关键词: 钙钛矿太阳能电池 溶剂配比 衬底温度 Cs掺杂 稳定性

在过去十年钙钛矿太阳能电池（Perovskite solar cells）光电转换效率急剧上升,引起研究人员极大的关注。钙钛矿不仅运用在光伏领域,而且在发光二极管、探测器、激光器上均有巨大的潜能。钙钛矿太阳能电池已经取得与多晶硅电池相媲美的23.7%光电转换效率。相对于MAPbI₃钙钛矿,不同离子掺杂混合型钙钛矿具有更好的光电特性,可调的直接带隙,更高的光吸收系数,更长的载流子扩散长度以及更好的稳定性等。但是混合型钙钛矿薄膜的结晶质量和热稳定性的机理依然比较模糊。本文研究了钙钛矿前驱体溶液中的DMSO/DMF溶剂配比和FTO/TiO₂衬底温度对混合型钙钛矿薄膜的形貌和结晶的作用;以及Cs离子掺杂浓度和FTO/TiO₂衬底温度对混合型钙钛矿薄膜结晶的影响。具体的研究结果如下:（1）研究钙钛矿前驱体溶液中的DMSO/DMF溶剂配比和FTO/TiO₂衬底温度对混合型钙钛矿薄膜的形貌和结晶的作用。配置DMSO/DMF溶剂配比为2:8、3:7、4:6、5:5和6:4的钙钛矿前驱体溶液,旋涂在FTO/TiO₂衬底30℃、50℃和70℃上。发现了衬底30℃时,DMSO/DMF的溶剂配比对薄膜的形貌和结晶影响较小,电池效率和稳定性都未受很大的影响。衬底升高到50℃,DMSO/DMF溶剂配比为2:8的钙钛矿薄膜有岛状结晶生成,随着DMSO/DMF溶剂比例升高,岛状被抑制,得到更加均匀、致密的薄膜,获得更高效率和稳定性的钙钛矿太阳能电池。衬底温度为70℃时,所有制备的钙钛矿薄膜都有岛状结晶生成,破坏薄膜的质量。分析认为,DMSO的饱和蒸汽压低于DMF,在衬底50℃时,提高DMSO在前驱体溶液中的比例会减慢溶剂的挥发速率,从而延缓钙钛矿薄膜的结晶,获得高质量的钙钛矿薄膜。基于FTO/c-TiO₂/（FAPbI₃）_0.85（MAPbBr₃）_0.15/Spiro-OMeTAD/Au的平面钙钛矿太阳能电池结构,在50℃FTO/TiO₂衬底上,DMSO/DMF溶剂配比为4:6的混合型离子钙钛矿太阳能电池获得19.43%的效率,手套箱N₂环境下放置800小时后,依然维持初始效率的90%,显示良好的稳定性。（2）研究了Cs离子掺杂和FTO/TiO₂衬底温度对混合型钙钛矿薄膜结晶过程的影响。实验中,将Cs离子在钙钛矿前驱体溶液中的掺杂比例为0%、5%、10%、15%和20%,并将钙钛矿的前驱体溶液分别旋涂在温度为30℃、50℃和70℃的FTO/TiO₂衬底上。研究发现,衬底温度为30℃时,不同Cs离子掺杂比例的钙钛矿薄膜表面形貌和结晶差异不明显。在50℃甚至更高温度的衬底上,Cs离子的掺杂改善了钙钛矿薄膜的形貌,使薄膜表面岛状结构中的δ相（非钙钛矿相）和PbI₂相向α相（钙钛矿相）转变,抑制了杂质相的生成,同时Cs离子的掺杂降低了钙钛矿薄膜的缺陷态密度,提高了钙钛矿薄膜的结晶质量。基于FTO/c-TiO₂/Cs_x(FA0.₈₅MA_0.15)_1-xPb(I_0.85Br_0.15)₃/Spiro-OMeTAD/Au的平面钙钛矿太阳能电池结构,衬底温度为30℃,Cs离子掺杂比例为20%的钙钛矿太阳能电池的最佳光电转换效率可达21.25%。将其放置在N₂填充的手套箱中1560小时后,器件仍能保持初始效率的90%。在50℃衬底甚至更高的温度衬底上,Cs掺杂的混合离子钙钛矿太阳能电池依然能获得较高的光电转换效率和稳定性,为将来钙钛矿太阳能电池的商业化提供了重要的实验基础。