KMS Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences
| CsPbI2Br薄膜的可控制备及其在全无机钙钛矿光伏器件中的应用研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 董琛 | |
| Thesis Advisor | 王金清 ; 韩修训 ; 丁勇 |
| 2019-05-22 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Department | 固体润滑国家重点实验室 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | CsPbI2Br 溶剂工程 成膜质量 碳电极 全无机钙钛矿电池 Solvent engineering Film quality Carbon electrode All-inorganic perovskite solar cells |
| Abstract | 铯铅卤无机钙钛矿（CsPbX3）因其优异的光电性能和良好的热稳定性而备受关注。其中，混合卤素CsPbI2Br兼具CsPbI3和CsPbBr3的优点：同时拥有较为合适的禁带宽度（1.91eV）和相对优异的室温相稳定性，是制备高效稳定钙钛矿电池较为理想的吸收层材料。然而，传统溶液法制备的CsPbI2Br无机钙钛矿薄膜仍存在覆盖率低、厚度薄，晶粒小，相纯度不高等缺点，限制了电池性能和稳定性的进一步提高。针对当前溶液法在制备高效稳定CsPbI2Br光伏器件方面所面临的困难，本论文基于反溶剂工程和添加剂工程发展了高效、可控制备高质量CsPbI2Br薄膜的一步和多步溶液法，系统研究了不同制备工艺对CsPbI2Br吸收层的表面覆盖度、形貌、结晶性、相纯度和光吸收性能的影响。在此基础上，通过采用稳定性好、低成本的碳电极取代传统的有机空穴传输层以及贵金属电极，组装出具有高转换效率、同时能够长期稳定工作的CsPbI2Br全无机钙钛矿太阳能电池。论文取得了以下主要研究结果： 1.基于传统的一步溶液法，在不同退火温度下制备了CsPbI2Br无机钙钛矿薄膜。研究发现，具有光伏特性的α-CsPbI2Br钙钛矿的相形成温度需要在240℃以上，并且所形成钙钛矿相的环境稳定性随着退火温度的升高而改善。在一定范围内升高退火温度也利于CsPbI2Br薄膜晶粒尺寸的增大和结晶性的提升，但过高的退火温度会破坏CsPbI2Br的薄膜质量。退火温度为340℃时所制备的α-CsPbI2Br薄膜结晶质量高且相稳定性好，但其表面覆盖度仍有待提高。基于碳电极构建的无空穴传输层CsPbI2Br电池初步实现4.89%的转换效率。 2.在传统一步法的基础上，通过引入反溶剂工程来辅助改善CsPbI2Br薄膜的成核结晶过程。采用乙酸乙酯（EA）绿色溶剂代替氯苯（CB）有毒溶剂作为新型反溶剂，详细研究了传统一步法以及不同反溶剂处理对CsPbI2Br无机钙钛矿成膜质量以及器件性能的影响。结果表明，相对于CB反溶剂和传统一步法，利用EA反溶剂辅助结晶过程可以有效改善CsPbI2Br薄膜的覆盖度和致密性，增加晶粒尺寸，降低晶界密度。基于EA反溶剂法制备的碳电极基CsPbI2Br全无机钙钛矿电池实现了10.0%的光电转换效率，并表现出较好的器件稳定性，明显优于传统一步法和CB反溶剂法制备的钙钛矿电池性能。 3.基于反溶剂工程，提出了一种绿色反溶剂辅助多步沉积的新方法，用于制备相纯度高且成膜质量好的CsPbI2Br无机钙钛矿薄膜。通过在PbI2前驱体成膜过程中引入CB反溶剂处理，成功地诱导了PbI2(DMSO)中间相的快速成核析出以及多孔结构的形成；疏松的多孔结构对CsBr分子的扩散，以及PbI2与CsBr后退火充分反应生成钙钛矿有积极的促进作用。通过调节后续CsBr的沉积循环次数实现了CsPbI2Br薄膜结晶质量、晶粒大小以及相成分的可控调节。进一步研究表明，不同性质的反溶剂处理对中间相薄膜的形态结构有重要影响，采用经绿色反溶剂乙醇（EtOH）处理得到的孔隙率高、晶粒取向随机的PbI2薄膜。在优化的CsBr沉积条件下，基于乙醇反溶剂辅助多步沉积法制备出了钙钛矿相纯度高、结晶性好、晶粒尺寸及厚度增大的CsPbI2Br薄膜，所构建的碳基全无机钙钛矿电池最佳转换效率达10.21%，并表现出良好的长期稳定性。 4.将强极性溶剂DMF作为添加剂引入到CsBr甲醇溶液中，通过多步沉积过程制备CsPbI2Br无机钙钛矿薄膜，详细研究了DMF添加量对CsPbI2Br薄膜成膜质量、相成分以及器件性能的影响。结果表明，适量的DMF添加剂能够在前驱体膜中引发适度的溶解再结晶过程，促进CsBr的内扩散及其与PbI2薄膜之间的充分反应，从而对CsPbI2Br薄膜的结晶动力学过程形成有效调控。DMF添加量为1.5%时成膜效果最优，可获得杂相少、结晶性高、晶粒尺寸可达微米量级、且晶界垂直于基底的CsPbI2Br薄膜，上述薄膜特性在改善载流子传输和降低复合损失方面起到了重要作用。所构建的碳基CsPbI2Br全无机钙钛矿电池达到了9.56%的最佳转换效率。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/25294 |
| Collection | 中国科学院兰州化学物理研究所 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 董琛. CsPbI2Br薄膜的可控制备及其在全无机钙钛矿光伏器件中的应用研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2019. |
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| 201925董琛.pdf（7950KB） | 学位论文 | 开放获取 | CC BY-NC-SA | View Application Full Text | ||
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