(ClC6H4C2H4NH3)2(CH3NH3)3Pb4I13薄膜的制备及在钙钛矿太阳能电池中的应用研究文献综述
2020-04-15 17:04:03
研究背景：随着石油等不可再生能源的大量消耗，能源问题是当今世界面临的巨大难题，太阳能作为清洁能源有望得到更多的应用，利用太阳能最主要的方式是用太阳能电池进行光电转化。最近几年，一种新的太阳能电池即钙钛矿太阳能电池异军突起，2013年，美国《科学》杂志将钙钛矿太阳能电池评为年度十大科学突破之一[1]。在短短几年内，钙钛矿太阳能电池制备工艺和器件结构快速优化[2]，使其费用和生产难度都低于商用硅太阳能电池，且光电转换效率已接近传统的晶体硅太阳能电池的效率。
大量的研究表明，钙钛矿纳米材料及其薄膜质量对电池性能有决定性的影响。当前钙钛矿太阳电池的研究都是围绕三维钙钛矿分子杂合物CH3NH3PbI3展开，尽管三维钙钛矿太阳电池的光电转化效率在短短几年内已经达到了23.3%[3]，接近Shockley-Queisser极限[4-7]，但传统高效率三维结构的钙钛矿材料对湿度、热和光照的敏感性[8]以及其毒性一直制约着钙钛矿作为光吸收层材料的应用。近几年，二维或类二维钙钛矿太阳能电池由于高稳定性和耐湿性已经开始引起人们的注意[9-11]。二维层状钙钛矿是在三维钙钛矿的基础上引入有机官能团形成的，由于其有机长链的疏水性，二维钙钛矿展现了相较于三维钙钛矿更好的稳定性。其化学通式为(RNH3)2An-1BnX3n 1，其中RNH3 表示有机分子，A 表示Cs、CH3NH3、HC(NH2)2，B表示Pb、Sn、Ge，X是Cl、Br、I，n是指堆叠的对称共角八面体层的数量。n = 1对应纯二维层状结构；n =∞则构成三维结构；n 为其它整数时，所形成的是类二维层状结构。
研究现状：Smith I.C.等人[12]报道了层状钙钛矿(PEA)2(CH3NH3)2Pb3I10（PEA表示苯乙胺）作为吸光层在电池中的应用，得到了4.73%的光电转换效率，在空气中放置46天保持稳定性。Cao等人[13]研究了用正丁胺n-butylammine（简写为n-BA）作为有机组元，制备(n-C4H9NH3)2(CH3NH3)n-1PbnI3n 1（n=1-4）钙钛矿薄膜，在n=3时取得4.02%的光电转换效率，其稳定性也显著提高。二维钙钛矿太阳能电池仍处于起步阶段，其效率相比三维材料明显较低，为了使二维钙钛矿材料真正具有实用性，研究者们提出了多种方法提高二维钙钛矿太阳电池的效率，例如通过改变n、R[14]来改变二维钙钛矿材料的带隙从而提高器件的光电转化效率，还有学者通过掺杂[15]也可以改变二维层状钙钛矿薄膜的结晶质量、电荷传输、带隙等性质，从而提高光电转化效率。目前，二维层状钙钛矿的效率已经超过12%[16]。作为新型二维层状钙钛矿材料无论在基础研究还是在应用领域都有待进一步的研究和发展。
研究目的及意义：目前大部分关于二维钙钛矿的研究都集中在PEA和BA两种体系，缺乏其他层状钙钛矿材料的探索。本文通过合成对氯苯乙胺（简写为CPEA），制备(CPEA)2(CH3NH3)n-1PbnI3n 1（n=5）钙钛矿薄膜，根据不同溶液浓度、不同溶剂（DMF和DMSO）比例对钙钛矿太阳能电池的性能产生不同的影响，按照一步旋涂法制备钙钛矿太阳能电池并测量其光电性能，以寻找最佳浓度和DMF与DMSO的最佳比例。
{title}2. 研究的基本内容与方案
{title}2.1基本内容：采用hot-casting一步旋涂法[17]制备(CPEA)2(CH3NH3)n-1PbnI3n 1（n=5）钙钛矿薄膜，研究不同浓度、不同溶剂（DMF和DMSO）比例对薄膜形貌及器件光电性能的影响。为了寻找最佳浓度，分别选取0.2M、0.3M、0.4M的浓度；为了寻找DMF与DMSO的最佳比例，将两者按照不同的比例制备钙钛矿，一共制备五组，分别为纯DMF，8:2（DMF-DMSO），6:4（DMF-DMSO），2:8（DMF-DMSO），纯DMSO。按照一步旋涂法制备钙钛矿太阳能电池。
2.2研究目标：制备薄膜均一、器件性能优异的(CPEA)2(CH3NH3)n-1PbnI3n 1（n=5）钙钛矿太阳能电池，探索不同浓度、不同溶剂（DMF和DMSO）比例对薄膜微观形貌以及器件光电性能的影响。
2.3拟采用的技术方案及措施：首先合成所需材料CPEAI，需要在冰水浴条件下合成，利用旋转蒸发仪蒸发溶剂，烘箱60℃烘干12h即可得到所需材料。然后用一步旋涂法制备不同浓度、不同溶剂（DMF和DMSO）比例的钙钛矿薄膜，并制备成器件。将制备好的电池保持在干燥的环境下置于太阳光模拟器中，测定各自的J-V曲线以表征其性能，便于寻找规律并找出最佳浓度和溶剂比例。最后，利用XRD、扫描电子显微镜以及紫外-可见分光光度计测量不同薄膜的结晶度、表面状态和吸光度，以更进一步的研究规律，找出最佳浓度和溶剂比例。
3. 参考文献[1] 肖娟，张浩力. 新型有机-无机杂化钙钛矿发光材料的研究进展[J]. 物理化学学报，2016,32(8):1894-1912.
[2] 陈皓然，夏英东，陈永华，等. 低维钙钛矿：兼具高效率和稳定性的新型太阳能电池光吸收层候选材料[J]. 材料导报，2018，32(1)：1-11.
[3] Yang Y, You J B, Lei M.Efficient and stable perovskite solar cells with all solution processed metaloxide transporting layers: US 2008/0033983 Al [P]. 2018-02-01.
