钙钛矿薄膜的形貌控制与研究进展

商丘师范学院学士学位毕业论文I钙钛矿薄膜的形貌控制与研究进展目录摘要与关键词.......................................................................II0引言.............................................................................11钙钛矿型太阳能电池的介绍.........................................................11.1钙钛矿晶体结构................................................................11.2钙钛矿太阳能电池的结构.......................................................21.3钙钛矿太阳能电池工作原理.....................................................32钙钛矿薄膜的介绍及制备方法........................................................42.1钙钛矿薄膜制备方法的演化......................................................42.1.1一步法....................................................................42.1.2两步法....................................................................42.1.3双源蒸汽沉积法............................................................52.1.4蒸汽辅助溶液加工法........................................................53影响钙钛矿薄膜的因素.............................................................53.1退火升温速率对钙钛矿薄膜结晶性的影响..........................................53.2溶剂对钙钛矿薄膜结晶性的影响..................................................64总结与展望.......................................................................6参考文献...........................................................................8致谢...............................................................................9商丘师范学院学士学位毕业论文II钙钛矿薄膜的形貌控制与研究进展摘要无机-有机钙钛矿太阳能电池因其廉价的液相制备方法和很好的光电转化性能，备受研究者们的关注。因其具有很好的吸光性、较高的载流子迁移率，且其能带可调并能进一步地应用多种加工方法进行改性，在近几年的研究中，其光电转化效率已从起初的3.8%提升至22.1%，所得模块器件的效率高达8.7%，已经远高于多数其他种类的太阳能电池。基于对相关光电材料的研究和进一步优化，钙钛矿太阳能电池的性能还有很高的提升空间。本文基于文献调研，针对近年来钙钛矿材料应用于太阳能电池的发展情况，重点总结了作为吸收层的钙钛矿薄膜材料的制备方法和影响因素，并分析了其未来发展中将面临的问题和发展前景。关键词钙钛矿；太阳能电池；光电转化；薄膜ResearchprogressinmorphologycontrolofperovskitethinfilmsAbstractInorganic-organicperovskitesolarcellshasbeentakenattentionbyresearchersduetolowpriceofliquidpreparationmethodsandgoodphotoelectricconversionperformance.Inrecentyears,thephotoelectricconversionefficiencyofperovskitesolarcellshasbeenincreasedfromthebeginning3.8%to22.1%,Themoduledeviceefficiencyisashighas8.7%.ismuchhigherthanmostothertypesofsolarcells,becauseofitsgoodopticalabsorption,highcarriermobility,andthebandisadjustableandthevarietyofprocessingmethodsformodification.Basedontherelatedresearchofphotoelectricmaterialsandfurtheroptimizationofperovskitesolarcells,theperformanceofthesolarcellsstillhaveahighroomforimprovement.Inthispaper,basedontheliteratureresearch,aimedtothedevelopmentofperovskitematerialsusedinsolarcells,thepreparationmethodsandinfluencefactorsofperovskitethinfilmsareemphaticallysummarized.Wealsodiscussedthefacingproblemsoffuturedevelopmentanddevelopmentprospects.KeywordsPerovskite;solarcell;photoelectricconversion;thinfilm商丘师范学院学士学位毕业论文10引言能源是国家经济和社会发展的基石，迄今为止人类社会发展仍然主要依赖于化石能源。但化石能源在地球上的分布极不均衡，并且终究会枯竭。另外燃烧化石能源带来的环境污染、雾霾气候和温室效应严重威胁到了人类社会的生存。太阳电池能够将太阳能直接转化为电能，可以为人们提供大量的清洁能源，能有效地解决能源问题和环境问题，实现社会的可持续发展。太阳能电池是基于光电效应或是光化学反应的进行光电能源转化的装置。法国物理学家Becquerel于1839年首次发现了光生伏特效应，即光线照射在蓄电池的金属电极上能使伏特计产生微弱的响应。在1876年，英国的Adams等发现，太阳光也能使硒半导体产生类似的变化。这些变化产生的原理是：太阳光对半导体p-n结的照射会对激发出大量的电子-空穴对，在材料内部的场效应作用下，电子和空穴得到分离并向阴阳两极进行迁移。即空穴迁移至p区，电子迁移至n区，进而产生光电流。Fritts于1883年制备得到了Ge上镀Au的半导体/金属太阳能电池，其光电转化效率仅达到1%[1]。1954年美国的Pearson，Fuller和Chapin等人首次制备得到了硅基太阳能电池，其效率达到了4.5%[2]，这样大幅提升效率使得太阳能电池的光电转化研究进入了一个新时代。此后的太阳能电池的发展可大致划分为三个阶段：第一代太阳能电池，指的是硅基太阳能电池，包括单晶硅和多晶硅，目前所得的最高光电转化效率分别为25%和20.4%[3]。第二代太阳能电池，硅基薄膜太阳能电池，包括非晶硅和多晶硅，主要以SiH4或SiHCl3为硅源进行制备，其制备方法为化学气相沉积法（CVD）或等离子体化学气相沉积法（PECVD）。其优势在于可进行快速、大量且低成本的生产，目前所得的最高光电转化效率为20.1%[4]。第三代太阳能电池，主要是一些具备高光电转化效率潜力的新型太阳能电池，包括染料敏化太阳能电池、量子点太阳能电池和基于有机光电材料的太阳能电池等。而随着近些年来光伏产业的快速发展，也促进了太阳能电池的研发进程，目前的发展趋势是光电转化效率的不断提升，生产成本的降低，使得该研究领域的前景更为明朗。而目前所得的研发成果以逐步应用至工业、农业、商业以及通信业，部分地区更是将其应用至社会的公共设施上。但要想真正地实现光伏发电的广泛应用，并使得太阳能成为人们生活中的能量来源，依然有许多问题亟待解决，包括原料和制备过程的成本和高污染问题。这些问题关乎到太阳能电池的研发、生产和最终投入使用，对于光伏产业的发展而言显得十分重要。因此，我们一方面要想方设法地降低太阳能电池的生产成本，主要是针对原料、制备方法和能耗进行解决；另一方面要提升产品的性能和环境友好性，即提高光电转化效率，同时减少污染材料的使用、降低制备过程中的污染排放量。无机-有机钙钛矿太阳能电池因其廉价的液相制备方法和很好的光电转化性能，备受研究者们的关注。因其具有很好的吸光性、较高的载流子迁移率，且其能带可调并能进一步地应用多种加工方法进行改性，在近几年的研究中，其光电转化效率已从起初的3.8%提升至22.1%。本文在基于对国内外相关研究文献的调研的基础上，介绍了钙钛矿太阳能电池所应用的薄膜材料的作用原理和制备方法，并对其发展前景和需要解决的问题进行了分析和说明。1钙钛矿型太阳能电池的介绍1.1钙钛矿晶体结构钙钛矿太阳能电池（perovskitesolarcells），是基于钙钛矿型的金属卤化物半导体进行光电转化的，即其光电转化所用的材料和作用机制与其他的太阳能电池有所差异。钙钛矿晶体为ABX3结构，一般可形成立方晶胞。在其晶体结构中，A离子位于晶胞中心，周围是12个X离子进行配位，形成立方八面体。B离子位于晶胞的角点，周围是6个X离子进行配位，形成配位八面体。如图1所示。由于A和X离子半径相近，可形成立方最密堆积，A一般为甲胺基CH3NH3，CH3CH2NH3+和NH2CHNH2+。B一般是金属Pb、Sn等，X一般是Cl、Br、I等卤离子或是拟卤素，最为常见的钙钛矿材料为碘化铅甲胺（CH3NH3PbI3），其带隙为1.5eV[4]。该带隙可以与太阳光谱中的部分波长匹配，商丘师范学院学士学位毕业论文2因而具有很好的吸光性，加上其纳米级的厚度，可以吸收几乎所有的可见光，并进而转化为电能。CH3NH3PbIxCl3-x（x=1，2，3）是一种非常具有代表性的钙钛矿自组装晶体，其三维立体结构同样具有很好的结晶性。该材料中的PbCl3-或PbI3-八面体同样有利于电子-空穴对的迁移，因而也具有很好的电子传输性能，其载流子迁移率相较于传统的有机半导体材料而言可高出10-100倍。由此可见，半导体材料很大程度上决定了太阳能电池的性能。此外，由于钙钛矿薄膜材料的制备简单，可通过共蒸发或是液相加工实现。与传统的硅基太阳能电池相比，其具高开路电压（＞1V）、低温低能耗（＜200℃）以及可构建柔性器件等优势，且同时满足了成本和效率的需求。图1钙钛矿晶格结构1.2钙钛矿型太阳能电池的结构如图2示，钙钛矿太阳能电池由上到下分别由FTO导电玻璃、TiO2致密层，电子传输层(ETM)、钙钛矿光敏层、空穴传输层(HTM)和金属电极等多个部分组成。电子传输层一般是致密结构的TiO2纳米颗粒，用以阻止钙钛矿层和FTO之间的载流子复合。通过对TiO2的形貌调控、掺杂或复合其他的n型半导体如ZnO等可进一步改善体系的电子传输速率，进而提升太阳能电池的性能。由于钙钛矿电池中具有致密的