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发布时间：2024-01-31 04:28:06 来源：文档文库
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尊敬的各位评委老师：
大家上午好！
我叫ＸＸＸ，来自材料科学与工程专业2012-2班。我的毕业论文题目为《钙钛矿太阳能电池薄膜形貌调控与光电性能研究》，我的导师是朱磊老师。
现在请允许我向各位老师展示我的答辩内容。
我的答辩内容主要由绪论、研究工作、实验分析、结论四部分组成。
首先我向各位老师展示的是绪论部分。
钙钛矿太阳能电池自2009年问世以来，发展迅猛，而光吸收材料一直是研究的重点和难点，其中又以钙钛矿甲胺铅碘为主。它的制备方法很多，应用最广的是溶液法和气相沉积法。如果在钙钛矿中掺杂Cl元素，部分替代I元素，可以起到延长激子扩散长度，改变带隙，提高电池光电性能的作用。基于这样的背景开展我的研究。
接下来请大家跟我一起看下钙钛矿太阳能的结构和工作原理。如图所示，钙钛矿太阳能电池主要由导电玻璃、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、金属电极这五部分组成。当电池接收光照时，钙钛矿吸收光子，产生电子和空穴。然后电子从钙钛矿层的导带传输到电子传输层的导带，再输送到导电玻璃，经由外电路与从空穴传输层传输到金属电极的空穴相结合，形成光电流。
在这些基本理论的指导下，开始了我的研究。先合成氯甲胺作为氯源，再用两步法沉积光吸收层，接着向甲胺铅碘中掺杂Cl元素，最后改变掺杂量，研究其对钙钛矿膜形貌和光电性能的影响。
接下来的部分是研究内容和主要工作。
最先我需要合成碘甲胺和氯甲胺，这用于后面的钙钛矿制备。因这两种物质的合成方法类似，这里就以合成碘甲胺为例。如图，在N2和冰浴下发生化合反应，然后通过旋转蒸发、乙醚纯化和真空干燥得到纯净的碘甲胺粉体
接下来开始电池的制备过程，首先需要对导电玻璃进行刻蚀和清洗。如图，先切割玻璃，再用稀盐酸和锌粉的反应腐蚀玻璃，最后用去离子水冲洗，无水乙醇、异丙醇、丙酮超声清洗两遍。刻蚀的目的是为了防止在测试时，电池内部发生短路。
接着在处理好的导电玻璃上制备致密层，用来传输电子。我制备致密层主要采用磁控溅射法和旋涂法。先向大家介绍磁控溅射法。我调控了溅射气压、溅射功率、溅射时长这三个参数进行研究。在实验中，磁控溅射法很容易出现TiO2膜太厚和膜的电导率差别太大这两个显著问题。通过进一步优化工艺，最后解决了该问题，确定了下面这一组最佳工艺参数。
随后我又使用了旋涂法。旋涂法是基于溶液过程的，先配置TiO2浆料，然后在匀胶机旋涂浆料，接着在130℃下预热处理，最后进行如图所示的退火结晶。我这样热处理的原因是，在130℃下预热蒸发有机物，干燥旋涂层。分段式加热是为了减缓升温速度，防止晶体生长过快，形成粗大晶粒。在450℃下，TiO2由无定形态变为锐钛矿。
退火后就得到电子传输层，接着我在其上用两步法沉积光吸收层。这是我研究的重点。在正式沉积膜之前，我需要配制不同浓度的前驱体溶液和10mg/mL的碘甲胺异丙醇溶液。如表所示，称取碘化铅溶于DMF中，再向溶液中掺入前面制备的氯甲胺，制成掺杂的前驱体溶液。准备好溶液后，按照流程图，先沉积PbI2膜，再将PbI2浸润到碘甲胺异丙醇溶液中，处理得到掺杂的钙钛矿膜。转速、时间和温度的具体值如文中所列。
至此成功制备光吸收层。要完成对电池的组装还要制备空穴传输层、真空蒸镀金属电极和光阳极焊word.
铟。最终得到左下图这个电池试样。
电池组装完成后，自然就需要对其进行表征。我的表征方法有：XRD、SEM、紫外吸收光谱、IPCE测试、J-V曲线测试。在开始数据分析之前，我先简单介绍一下钙钛矿太阳电池的基本物理参数，主要有：开路电压、短路电流密度、填充因子、转换效率、量子转换效率。
接下来开始我的实验数据分析部分。
先来看下PbI2层的XRD图谱。12.7°是PbI2的特征衍射峰位置，从b图可以看出，随着掺杂量的增加，膜中的PbI2量逐渐减少。而在钙钛矿层中，PbI2是以杂质的形式存在，从钙钛矿层的XRD图谱中可以找到PbI2的特征衍射峰。过多残留对电池性能的提升是不利的。从b图中可以发现，增大掺杂量，钙钛矿的结晶性先增后减。掺杂量为0.1和0.15mmol时的结晶性最好。
接着我们来看PbI2膜的SEM图。从a到e分别为掺杂量逐渐增多的微观形貌照片。可以明显看到有不同尺寸的微孔，这对后面钙钛矿晶体的生长影响很大。随着掺杂量的增多，微孔尺寸和数目先减后增。f图是不同掺杂量PbI2膜的颜色变化，从颜色深度可知已形成一定量的钙钛矿晶体。
再看钙钛矿膜的扫描电镜照片，a到e是掺杂量逐渐增多的,f为c的局部放大图。图中晶粒的尺寸与微孔的数目、尺寸都是先减后增的，与PbI2膜上的微孔规律一致。这是因为较小的PbI2膜微孔会限制钙钛矿晶体长大，从而形成致密均匀且覆盖率高的光吸收层。G为电池的截面图，表明制备的电池具有良好的结构。
这是钙钛矿层的紫外吸收光谱图。掺杂量为0.15和0.2mmol时，膜的光吸收率高于未掺杂膜，但掺杂0.25mmol时，虽然在600-750nm范围内的光吸收率很高，但总体吸光度是衰减的。
下面我重点分析一下电池的J-V曲线。掺杂0.15mmol时，从图和表的数据可知，器件的开路电压、短路电流密度、填充因子、转换效率提升的最多。这是因为掺杂0.15mmol时，从前面的SEM图可以看出此时形成的钙钛矿膜最致密均匀且表面覆盖率最高，微孔尺寸和数目最少，这些都有效降低了自由载流子的复合几率，从而提升各个参数值。而掺杂0.25mmol时，电池的光电性能是下降的，这是因为PbI2膜上的微孔尺寸太大，不能形成连续致密的钙钛矿膜，自由载流子复合几率上升。
为了进一步研究掺杂量对器件光电性能的影响，我们来看下IPCE图谱。掺杂量为0.15mmol时，电池各个单色光的量子效率有所提升，但掺杂0.25时，量子效率是降低的，这与J-V曲线的规律一致。
这幅图是电池的平均效率分布图，相较于初始值，掺杂0.15mmol时，将平均效率从9.7%提升到11.4%。
从以上分析可以得出以下四条结论：
1、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；当加入量为0.15mmol时，微孔的尺寸和数量更有利于钙钛矿晶体的生长，但加入过量的CH3NH3Cl时，微孔的尺寸异常大，甚至可以观察到TiO2层，不利于长成致密均匀的钙钛矿膜。
2、掺入CH3NH3Cl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的趋势。当掺入0.1mmol和0.15mmolCH3NH3Cl时，钙钛矿的结晶性有所改善。
3、掺入0.15mmol的CH3NH3Cl会增强钙钛矿膜对某些波长光的吸收率，但掺入过多量会造成钙钛矿层整体吸收性能的衰减。
4、掺入适量的CH3NH3Cl会减小电子—空穴对的复合几率，会增加转换效率，但过量会在钙钛矿层形成尺寸较大的微孔，导致转换效率衰减；加入0.15mmol的CH3NH3Cl，电池的各项光电性能参数最明显，器件的平均转换效率从9.7%上升到11.4%。
以上就是我答辩的全部内容，非常感谢各位老师的关注，接下来请老师们评阅提问。
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