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1、材料科学与工程专业材料科学与工程专业2012级级02班班本科毕业论文答辩本科毕业论文答辩钙钙钛钛矿矿太太阳阳能能电电池池薄薄膜膜形形貌貌调调控控与与光光电电性性能能研研究究答答 辩辩 人人：XXX导导 师师：12 十二月 2022目录CONTENTS绪绪 论论研究内容和主要工作研究内容和主要工作实验结果和数据分析实验结果和数据分析论文结论论文结论1234Chapter1绪绪 论论章节研究背景1.1PSCs的研究状况PSCs自2009年问世以来，发展迅猛，数年内从3.8%的PCE跃升到22.1%钙钛矿作为光吸收材料，一直是科研工作者研究PSCs的重点与难点以Cl部分替代钙钛矿中的I可以延长激子的
2、扩散长度、改变带隙、提高光电转换效率钙钛矿光吸收材料是以CH3NH3PbI为主，研究出诸多制备方法，应用最多的为溶液法和气相沉积法钙钛矿太阳能电池的结构和工作原理1.2n光子n电子-空穴对nETM&HTMn外电路钙钛矿太阳能电池的结构钙钛矿太阳能电池的工作原理研究方向1.3低温合成CH3NH3I 和 CH3NH3Cl两步法沉积钙钛矿光吸收层以CH3NH3Cl为氯源，向CH3NH3PbI3掺杂Cl元素改变掺杂量，研究其对钙钛矿膜和光电性能的影响Chapter2研究内容和主要工作研究内容和主要工作章节2.1 2.1 合成合成CHCH3 3NHNH3 3I I 和和CHCH3 3NHNH3 3ClC
3、l以合成以合成CHCH3 3NHNH3 3I I为例，为例，CH3NH3Cl的合成方法相似CH3NH3I粉体合成流程图粉体合成流程图乙醚纯化乙醚纯化真空干燥真空干燥旋转蒸发旋转蒸发N2氛围氛围0冰浴冰浴CH3NH2醇溶液HI溶液CH3NH3I溶液CH3NH3I 粗制粉体CH3NH3I纯净粉末2.2 刻蚀和清洗导电玻璃（FTO）n导电玻璃：导电玻璃：掺杂氟元素的二氧化锡，FTO均匀涂覆均匀涂覆待刻蚀区待刻蚀区1:1混合均匀混合均匀滴在锌粉上滴在锌粉上切割导电玻璃切割导电玻璃粘贴胶带粘贴胶带锌锌粉粉（Zn）浓浓 盐盐 酸酸（HCl）去去离离子子水水（H2O）导电玻璃刻蚀流程图导电玻璃刻蚀流程图（a
4、 a）刻蚀）刻蚀FTOFTO制备的制备的PSCs PSCs（b b）未刻蚀）未刻蚀FTOFTO制备的制备的PSCsPSCsl未刻蚀：测试时，针状电极易压穿电池接触到X区域，正负极直接接触，电池短路，损害电池和测试仪器l刻蚀：针状电极无法接触到FTO，电池类似断路状态2.3 制备TiO2致密层（磁控溅射法&旋涂法）u磁控溅射法磁控溅射法氩气流量/sccm 真空度/Pa 溅射气压/Pa 溅射功率/w溅射时间/minTiO2Ti157.910-431006010157.910-441006010157.910-451006010157.910-461006010157.910-45806010157
5、.910-45906010157.910-45956010157.910-451006010157.910-451056010157.910-45100606157.910-45100608157.910-451006010157.910-451006012易出现的问题ProblemTiO2膜太厚膜的电导率差别太大根据优化工艺制备出来的膜厚都超过150nm,不利于提高性能同批样品经过蒸银后，用数字源表测试得到电阻值差异太大u通过一系列试验确定了最佳工艺参数通过一系列试验确定了最佳工艺参数：氩气流量：15sccm；真空度：7.910-4Pa；溅射气压：5Pa 溅射功率：100w；溅射时间：60m
6、in TiO2+10min Ti 2.3 制备TiO2致密层（磁控溅射法&旋涂法）u旋涂法（溶液法）旋涂法（溶液法）配制配制浆料浆料旋涂旋涂浆料浆料130预预热处理热处理退火退火结晶结晶 制备制备TiO2致密层过程图致密层过程图TiO2致密层退火工艺图致密层退火工艺图n130预热：蒸发乙醇等有机物，干燥旋涂层 n分段式加热：温度升高过快，会造成晶体生长加快，晶粒粗大，甚至会造成膜上出现较大的裂痕n450下退火：TiO2由无定形态变为锐钛矿均匀致密的均匀致密的TiOTiO2 2膜，厚度膜，厚度60nm60nm，但是膜的稳定性没有磁控溅射的好但是膜的稳定性没有磁控溅射的好2.4 两步法制备CH3N
7、H3PbI3-xClx钙钛矿光吸收层按按照照下下表表参参数数配配制制P Pb bI I2 2-x xMMA AC Cl l前前驱驱体体溶溶液液溶液编号溶液编号PbI2质量质量/gMACl质量质量/gDMF/mL0 mmol0.23100.50.10 mmol0.2310.003370.50.15 mmol0.2310.005050.50.20 mmol0.2310.006740.50.25 mmol0.2310.008420.5配配制制C CH H3 3N NH H3 3I I异异丙丙醇醇溶溶液液浓度10mg/mL的碘甲胺异丙醇溶液20mL2.4 两步法制备CH3NH3PbI3-xClx钙钛矿
8、光吸收层旋涂、冲洗旋涂、冲洗旋干、退火旋干、退火旋涂旋涂退火退火配制PbI2-xMACl溶液配制CH3NH3I溶液PbI2-xMACl膜钙钛矿膜uCH3NH3PbI3-xClx钙钛矿薄膜的制备钙钛矿薄膜的制备流程流程在在TiOTiO2 2膜上旋涂膜上旋涂PbIPbI2-x2-xMAClMACl溶液（转速溶液（转速3500rpm3500rpm，时，时间间3030秒），在秒），在7070下退火下退火3030分钟生成分钟生成PbIPbI2-x2-xMAClMACl膜；膜；将将制制得得的的膜膜浸浸润润在在10mg/mLCH10mg/mLCH3 3NHNH3 3I I异异丙丙醇醇溶溶液液中中2.52.5
9、分钟，再用异丙醇冲洗，分钟，再用异丙醇冲洗，2000rpm2000rpm旋干溶剂旋干溶剂10s10s；最后在最后在7070下加热下加热3030分钟得到钙钛矿膜分钟得到钙钛矿膜CHCH3 3NHNH3 3PbIPbI3-x3-xClClx x（x=0,0.1,0.15,0.2,0.25x=0,0.1,0.15,0.2,0.25）。）。u 装配电池的其他步骤2.62.7制备制备HTM层层 配制HTM溶液：磁力搅拌A液（氯苯、spiro-OMeTAD、4-叔丁基吡啶）和B液（乙腈、双三氧甲烷磺酰亚胺锂）匀胶机上旋涂30s后手套箱中静置12小时光阴极制备光阴极制备 光阳极焊铟光阳极焊铟-丁内酯擦除部分
10、钙钛矿膜和空穴传输材料，超声焊将金属铟焊接在FTO的导电面上真空蒸镀法将金属银蒸镀到空穴传输层上，膜厚约为50nm 钙钛矿太阳能电池试样2.5IX射线衍射（XRD）物相分析II扫描电镜（SEM）微观形貌分析III紫外可见光分光光度记（UV-vis）吸收光谱IV电池量子效率分析（IPCE测试）V光伏特性曲线（J-V曲线）分析l2.8 表征方法2.9 PSCs的基本参数介绍填充因子（FF）：太阳能电池对外输出的最大功率（Pmax）与开路电压（Voc）和短路电流（Jsc）乘积的比值。开路电压（Voc）：外电路处于断路时的电压，即J-V曲线上负载电流密度趋于0时，电压轴上的截距。短路电流（Jsc）：外
11、电路处于短路时的电流，即J-V曲线上电压值趋于0时，电流轴上的截距。钙钛矿太阳能电池的光伏特性曲线Chapter3实验结果和数据分析实验结果和数据分析章节u PbI2在 12.7处（001）特征衍射峰uPbI2含量的减少3.1 XRD物相分析pPbI2层的层的XRD(a)TiO2上PbI2-xmmolMACl膜的XRD图(b)1115内放大图uPbI2（001）晶面在12.7处的特征衍射峰可观察到u掺入0.1mmol和0.15mmol的MACl，钙钛矿膜的结晶度得到提升p钙钛矿层的XRD分析(a)CH3NH3PbI3-xClx/TiO2膜的XRD图 (b)1216范围内放大的XRD图3.2Pb
12、I2层的微观形貌(a)0mmol(b)0.1mmol (c)0.15mmol(d)0.2mmol(e)0.25mmol(f)不同x值PbI2-xmmol MACl膜的照片微孔数目和尺寸：先减后增形成一定数量的钙钛矿晶体(a)0mmol (b)0.1mmol(c),(f)0.15mmol(d)0.2mmol(e)0.25mmol(g)电池截面图n 钙钛矿层的微观形貌（SEM）钙钛矿的晶粒尺寸先减后增微孔数目和尺寸先减后增3.3吸收光谱分析（UV-vis）Loremipsumdolorsitametconsecteturadipisicingelitseddoeiusmodu掺0.15和0.2mm
13、ol，钙钛矿膜的光吸收率要高于原始膜u掺杂0.25mmol波长400-600nm：低波长600-750nm：高总体衰减 CH3NH3PbI3-xClx钙钛矿膜的紫外钙钛矿膜的紫外可见光吸收光谱图可见光吸收光谱图3.4 PSCs的光伏特性曲线样品样品Voc（V）Jsc（mA cm-2）FF（%）（%）0 mmol0.9017.3166.1510.320.10mmol0.9516.8662.6710.060.15mmol0.9719.4068.9113.060.20mmol0.9317.8767.9911.360.25mmol0.809.4161.214.61电子电子空穴对复空穴对复合几率的下降合
14、几率的下降3.5 IPCE分析l加入0.15mmol时，电池最高量子效率从75%提升到84%l在600nm710nm波长内，电池量子效率的上升更加明显l当掺入量达到0.25mmol时，器件的量子效率显著下降。3.6 电池的平均效率比较初始和0.15mmolMACl钙钛矿电池的效率分布图电池的平均效率从9.7%上升到11.4%论文结论4 掺杂对掺杂对PbIPbI2 2膜的影响膜的影响01掺杂对吸光的影响掺杂对吸光的影响03掺杂对钙钛矿膜的影响掺杂对钙钛矿膜的影响02掺杂对转换效率的影响掺杂对转换效率的影响04掺杂量越多，产物中的碘化铅成分越少，碘化铅层上的微孔尺寸和数目先减后增掺入适量增强钙钛矿膜对某些波长光的吸收率，掺入过多会成整体吸收性能的衰减掺杂会影响钙钛矿晶体的结晶度，随着MACl掺入量的增加，钙钛矿晶体的结晶性呈现先增后减掺入适量增强其器件转换效率，但过量掺杂会造成效率的衰减Thank you for your attentionThank you for your attention！感谢关注！欢迎老师们提问！材料科学2012-2班江晨辉