有机无机钙钛矿薄膜印刷制备研究开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

近年来,有机无机杂化钙钛矿太阳电池因其卓越的光电性能、较高的光电转换效率和相对较低的制备成本,引起了国内外科研工作者和产业界人士的广泛关注。目前,钙钛矿太阳电池的光电转换效率已经从2009年报道的3.8%迅猛提升到现在的23.3%,达到了主流商业化太阳能电池的水平,展现出极高的应用前景,被认为是下一代薄膜太阳电池的杰出代表。

然而,几乎所有报道的高效率的钙钛矿太阳能电池都采用旋涂法制备。溶液旋涂法是钙钛矿太阳能电池研究中主要采用的薄膜制备方法,具有成本低、操控简单以及重复性高的优势,然后旋涂技术本身的工艺特性限制了薄膜的大面积制备和批量化生产,严重制约了其在太阳能电池商业化生产中的应用。此外,溶液旋涂技术在制备的过程中具有较低的钙钛矿前驱体溶液利用率,也凸显出经济性低和环境不友好的缺点。因此,发展大面积、工艺稳定和经济的钙钛矿薄膜制备技术对于面向钙钛矿薄膜的实用化光伏应用显得尤为重要。

为此,研究者们开发了各种印刷制备大面积钙钛矿薄膜技术以适应工业化生产,比如喷涂、喷墨打印、狭缝涂布、刮涂、丝网印刷等。其中,刮刀涂布法由于其基底温度可控,因此在规模化制备高质量、大晶粒钙钛矿薄膜方法中脱颖而出。2014年,美国华盛顿大学的jen等研究者首次报道了采用刮涂法制备钙钛矿薄膜,并实现了器件光伏性能和空气稳定性的显著提升,器件效率达到12%。2018年,陕西师范大学报道了空气中刮涂制备的mapbi3薄膜在0.09cm2的小面积电池器件中获得了18.74%的光电转换效率,并在1cm2的大面积器件中获得了17.06%的效率。2018年,美国内布拉斯加大学林肯分校的黄劲松研究小组通过在刮涂溶液中添加微量表面活性剂从而极大地改变了流体干燥动力学,增加了钙钛矿油墨与底层非润湿电荷传输层的粘着性,制备的小面积钙钛矿电池效率达到20%。由于刮涂法在制备薄膜时的超高原材料利用率,以及大面积、低成本和规模化制备方面的独特优势,这种薄膜制备技术在钙钛矿的商业化生产中体现出极大的应用潜力。然而,目前刮涂法制备的钙钛矿薄膜在器件可重复性方面还有待提高,其中,制备出的钙钛矿薄膜的均匀性较低是其工艺稳定性的主要限制瓶颈。因此,本研究旨在通过控制不同条件,比如温度、薄膜厚度、涂布速率、基底等,探索刮涂钙钛矿薄膜的成膜质量,最后得到大面积均匀性好的钙钛矿薄膜,以期为今后发展大面积印刷制备钙钛矿薄膜技术以及实现钙钛矿太阳电池的产业化提供帮助。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

薄膜制备:主要使用ch3nh3i(mai)、hc(nh2)2i(fai)、pbi2、csi等原料,以dmf、dmso等有机液体为溶剂,配置成不同组分不同浓度的钙钛矿前驱体液,再通过一步刮涂法在不同基底上涂布一层钙钛矿薄膜。

薄膜表征:对制备的钙钛矿薄膜进行形貌结构和光电性能的综合表征,通过金相显微镜、fe-sem、xrd、xps对薄膜材料的物相组成、表面形貌、显微结构、元素分布等进行表征。并采用iv、cv、uv-vis、eqe等测试手段对钙钛矿薄膜的光电性能进行表征,来评估刮涂薄膜的质量。

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3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅相关文献资料,完成英文翻译。明确研究内容,了解研究所需原料、仪器和设备,确定技术方案。

第4-10周:按照实验方案制备钙钛矿薄膜,获得平整致密薄膜。

第11-13周:采用iv、eqe、uv-vis、xrd、fe-sem、xps/tg-dsc、cv等测试技术对材料的物相、显微结构、光电性能进行测试。

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4. 参考文献(12篇以上)

1. gardner kl, tait jg, merckx t, qiu w, paetzold uw, kootstra l, et al. nonhazardous solvent systems for processing perovskite photovoltaics. advanced energy materials. 2016;6(14):1600386.

2. fan b, ying l, wang z, he b, jiang x-f, huang f, et al. optimisation of processing solvent and molecular weight for the production of green-solvent-processed all-polymer solar cells with a power conversion efficiency over 9%. energ environ sci. 2017;10(5):1243-51.

3. hao f, stoumpos cc, cao dh, chang rph, kanatzidis mg. lead-free solid-state organic-inorganic halide perovskite solar cells. nat photon. 2014;8(6):489-94.

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