MA1-xCsxPbI3掺杂有机无机杂化钙钛矿薄膜的喷涂法制备和性能研究

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有机无机杂化钙钛矿(ABX3)材料因其具有载流子迁移率高、扩散距离大、可溶液加工等优点,在过去几年被广泛地应用在太阳能电池研究领域。碘化铅甲胺(CH3NH3PbI3,MAPbI3)是有机无机杂化钙钛矿太阳能电池中最常用材料,制备的钙钛矿太阳能电池的转换效率可以达到22%,但是其在空气环境下易受到水分破坏而分解,且热稳定性较差,应用受限。目前已有研究通过对MAPbI3材料A位进行Cs掺杂,提高钙钛矿材料的稳定性。常用制备Cs掺杂钙钛矿薄膜的方法为反溶剂制备法,所得薄膜稳定性提高,具有较好的光吸收能力。但反溶剂法制备掺Cs掺杂钙钛矿薄膜较易形成杂相CsPbI3,降低钙钛矿太阳能电池的性能。喷涂成膜法是利用压缩气体从喷嘴中喷出所造成的压差,将涂料从容器中吸出,涂料被气流吹成雾状,粘附在物面上形成均匀薄膜的一种成膜方法,其具有方便快捷、低成本、可大面积制膜,符合商业化生产需求等优点。喷涂法制备薄膜质量随涂料组成和喷涂工具的不同,有较大差异,因此需要对喷涂条件进行优化从而得到高质量薄膜。本文采用喷涂成膜法制备钙钛矿薄膜和电池,通过对喷涂成膜工艺的优化,确定制膜的最优条件,成功制备出MA1-xCsxPbI3钙钛矿薄膜和电池。喷涂成膜法制备掺Cs钙钛矿薄膜的质量及空气热稳定性均较不掺Cs的有所提高,相应的电池性能也表现优异。论文主要成果如下:1、对喷涂成膜法工艺进行优化。通过对制膜时的基底温度进行调控,确定以130oC作为制膜的基底温度,消除了基底温度较低时所制备薄膜存在的树枝晶,并且薄膜的晶粒尺寸有所增大。通过对混合溶剂组成的研究,发现DMF与DMSO混合溶剂所制备的薄膜残存有一定量的PbI2,且光吸收效果差于纯DMF溶剂制备的薄膜,优化喷涂成膜时的溶剂组成以纯DMF作为溶剂。通过对钙钛矿溶液质量分数浓度的调控,确定以20%溶液浓度为制膜浓度,此时所制备的钙钛矿薄膜光吸收效果较优。2、在对喷涂成膜条件优化后,成功制备出性能较好的MA1-xCsxPbI3钙钛矿薄膜与电池。XRD结果表明,由喷涂法制备的MA1-xCsxPbI3钙钛矿薄膜在x达到0.20时仍未观测到杂相CsPbI3。对制备的MA1-xCsxPbI3钙钛矿薄膜吸收特性和扫描电镜图像进行分析得到,一定量Cs的掺入提高了钙钛矿薄膜光吸收性能和增大了薄膜晶粒,其中MA0.9Cs0.1PbI3钙钛矿薄膜具有良好的光吸收性能和薄膜质量。利用MA0.9Cs0.1PbI3钙钛矿薄膜制备的太阳能电池也表现出相对较好的光学和电学特性,转换效率达到7.98%。3、对采用喷涂成膜法制备的MA0.9Cs0.1PbI3钙钛矿薄膜与MAPbI3钙钛矿薄膜进行空气热稳定性研究。实验数据表明,热处理前后,MA0.9Cs0.1PbI3薄膜的光吸收能力均强于未掺Cs的纯MAPbI3薄膜。空气中130oC处理12 h后,纯MAPbI3薄膜已大部分变黄分解为PbI2,而MA0.9Cs0.1PbI3薄膜仍能保持黑色,仅小部分发生了分解,这表明Cs的掺入在一定程度上提高了钙钛矿材料在空气环境中的热稳定性。
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