仲丁醇反溶剂法制备高效钙钛矿太阳能电池

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• 论文作者：郝玉英 ; 张帆 ; 李林钢 ; 李仕奇 ; 李战峰 ; 孙钦军 ; 崔艳霞
• 年：2017
• 作者机构：太原理工大学;
• 论文关键词：钙钛矿太阳能电池 ; 反溶剂 ; 仲丁醇
• 会议召开时间：2017-05-27
• 会议录名称：第四届新型太阳能电池学术研讨会论文集
• 英文会议录名称：Abstract Book of the 4th Conference on New Generation Solar Cells
• 语种：中文
• 分类号：TM914.4
• 学会代码：ZKYQ
• 会议名称：第四届新型太阳能电池学术研讨会
• 会议地点：中国北京
• 主办单位：中国可再生能源学会光化学专业委员会
• 学会名称：中国科学院物理研究所清洁能源实验室
• 页数：1
• 文件大小：775k
• 原文格式：D
• 会议级别：全国

摘要

有机-无机金属卤化物钙钛矿材料因其高的光吸收系数、合适的禁带宽度、长的电荷传输距离、双极性传输特性以及制备工艺简单等优势,受到广泛关注。自2009年钙钛矿太阳能电池被首次报道,短短几年,其最高认证效率已达了22.1%。为了获得高性能钙钛矿太阳能电池,迄今为止最为广泛且有效的方法是利用反溶剂法制备钙钛矿薄膜。N.J.Jeon等人发现在钙钛矿层旋涂过程中滴加甲苯对该层进行清洗可以制得更为高效的钙钛矿薄膜[1],M.Xiao首次用氯苯作为反溶剂使钙钛矿快速结晶并析出[2],Namyoung Ahn则是通过乙醚清洗来调控钙钛矿与DMSO的中间态成功制备了效率高达19.7%的太阳能电池[3]。在薄膜旋涂过程中利用甲苯、氯苯或乙醚进行清洗可以有效去除薄膜中残余溶剂,加速了钙钛矿薄膜的形成。通过反溶剂法制得的薄膜往往更加平整致密,但是甲苯、氯苯毒性较大,在大量使用时会对人体及其周围环境带来损害,乙醚较甲苯、氯苯毒性小,但其沸点低,常温下挥发迅速,导致在电池制备中其用量难以控制,且其属于易燃易爆物,大量使用乙醚时极易引起事故。此外,我们发现利用上述反溶剂制得的薄膜中仍存在部分针孔和较多的晶界,很多研究表明钙钛矿薄膜中的针孔和晶界会产生大量的电荷陷阱,容易引起电荷的复合损失,制约了电池的光电转化效率。本文利用仲丁醇作为反溶剂制得的钙钛矿薄膜更为平整且没有任何孔洞,通过仲丁醇的清洗-浸泡过程可以有效调整甲基碘化胺在钙钛矿薄膜中的含量。研究表明,甲基碘化胺含量的变化影响着钙钛矿晶粒的质量,通过仲丁醇的调控可以达到最为合适的比例,进而提高晶粒覆盖率并获得高质量的钙钛矿薄膜,与传统反溶剂相比较,仲丁醇更为环保,安全系数高,更加适合规模化生产[4]。此外,我们在仲丁醇工艺的基础上对电池的退火工艺进行改进,将退火过程分割为不同条件下多步进行,在多步退火和仲丁醇的共同作用下,钙钛矿晶粒得到进一步生长,其尺寸在纵向上贯穿薄膜,实现纵向无晶界化,提高了电荷的传输效率,最终制得效率高达17.2%的钙钛矿太阳能电池[5]。上述方法使用范围广,不仅适合传统的甲胺碘铅钙钛矿太阳能电池,同样适用于锡铅二元钙钛矿太阳能电池,课题组结合上述工作并加以改进,通过一步法成功制备了锡铅二元钙钛矿太阳能电池,其短路电流密度可达24 mA/cm2,电池光电转化效率最高为12%[6]。

引文

[1]N.J.Jeon,J.H.Noh,Y.C.Kim,W.S.Yang,S.Ryu,S.I.Seok,Nat.Mater.2014,13,89.
    [2]M.Xiao,F.Huang,W.Huang,Y.Dkhissi,Y.Zhu,J.Etheridge,A.Gray-Weale,U.Bach,Y.B.Cheng,L.Spiccia,Angew.Chem.2014,126,10056.
    [3]Ahn,N.,Son,D.Y.,Jang,I.H.,Kang,S.M.,Choi,M.,&Park,N.G,Journal of the American Chemical Society,2015,137,8696.
    [4]F.Zhang,J.Lian,J.Song,Y.Hao,P.Zeng and H.Niu,J.Mater.Chem.A,2016,4,3438-3445.
    [5]F.Zhang,J.Song,L.Zhang,F.Niu,Y.Hao,P.Zeng,H.Niu,,J.Huang and J.Lian,J.Mater.Chem.A,2016,4,8554–8561.
    [5]L.Li,F.Zhang,Y.Hao,Q.Sun,Z.Li,H.Wang,Y.Cui and F.Zhu,J.Mater.Chem.C,2017,5,2360.