钙钛矿薄膜太阳能电池的制备及非常规J-V滞回现象研究

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目前在太阳能电池研究领域,有机金属卤化物钙钛矿电池备受世人关注。如何更好地结合无机电池优越的光电转化效率和有机太阳能电池价廉、柔性、工艺简单等优点成为研究者们所关注的主要内容。另外,对于钙钛矿电池广泛存在的J-V滞回现象,其物理机制还没有被系统地分析和研究。本课题围绕钛矿薄膜的制备和J-V滞回现象展开研究。主要的工作包括以下两方面内容:  1.在制备高性能金属卤化物钙钛矿(CH3NH3PbI3-xClx)太阳能电池时,为了获得更优良的钙钛矿活性层薄膜,退火工艺往往是必不可少的。通常都是通过热台加热的方式来进行退火。而本论文引入了烘箱退火方式,利用热空气接触钙钛矿前驱薄膜进行退火,解决了热台退火不可避免的制约问题。实验还对比了不同湿度条件下,钙钛矿薄膜的成膜情况;分析了烘箱退火方式的优越性;找出了退火时间、温度、前驱薄膜厚度和水份对钙钛矿晶体生长的影响机制;研究了退火过程中薄膜组分的变化对晶体结构变化的影响。为了研究退火条件对于器件的影响,还制备了一系列不同条件下的Al/PC61BM/CH3NH3PbI3-xClx/PEDOT∶PSS/ITO/glass的光伏器件,并系统对比其性能参数。为非化学计量比的溶液法制备钙钛矿薄膜找到了适宜的湿度条件和优越的退火方案。  2.电流密度与电压曲线(J-V)的滞回现象是钙钛矿太阳能电池J-V测试中大量存在的现象。这一现象影响了电池性能参数的获取。因此,自钙钛矿电池研究以来,J-V滞回现象一直是研究者们重点关注和大量报道的研究内容,很多课题组相继作了大量的报道和研究。但到目前为止,对于引起这一现象的本质原因还没有定论。此前,J-V滞回现象的表现形式基本都是一样的,而本研究在Al/PC61BM/CH3NH3PbI3-xClx/PEDOT∶PSS/ITO/glass钙钛矿太阳能电池中发现了与常规J-V滞回不一样的“非常规J-V滞回现象”。对此就研究者关心的J-V测试条件和曲线形态之间的关系,做了详细测试;系统地分析了测试条件影响曲线形态的机制;并借助电化学阻抗谱手段对产生这一现象的物理和化学机制做出了探索性的分析。
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