有机磷化物掺杂对杂化钙钛矿薄膜形貌及光电性能的研究开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

随着社会的发展，能源问题日益显著。由于储量与使用过程中的污染问题，化石能源难以满足可持续发展的需求。太阳能以及风能、生物质能、潮汐能和地热能正在成为我们这个能源匮乏的星球的替代能源。在混合能源中，太阳能是一种可再生和清洁的能源，它为化石燃料带来的全球变暖和温室气体日益增加的担忧提供了答案。截至目前，太阳能电池已发展到第三代，以钙钛矿太阳能电池为代表的第三代太阳能电池造价低廉、光电转化效率高、可溶液加工和低温制备（＜150℃），极具潜力与研究价值。从2009年，Miyasaka等首次将CH₃NH₃PbBr₃、CH₃NH₃PbI₃作为光敏剂制成染料敏化太阳电池，钙钛矿太阳能电池首次被提出并达到3.8%的光电转换效率，到如今据美国可再生能源实验室（NREL）2019 年统计的各类太阳能电池最高效率中，钙钛矿太阳能电池认证效率在短短10年间已经飙升至25.2%，吸引了研究人员的普遍关注。

虽然具有众多优势，但目前距离商业化生产，钙钛矿太阳能电池仍然有绕不过的难题需要解决，比如电池本身的稳定性问题、铅的毒性、大面积组件的效率等。要投入商业化生产，电池至少要持续稳定工作25年，而当长时间暴露于潮湿、光照、高温等环境下时，钙钛矿层会发生分解，从而使得器件失效。Niu等提出了CH₃NH₃PbI₃在湿度条件下的降解机理，而Philippe等也发现100℃下热处理20min使得钙钛矿层显著降解。此外，器件的不稳定性也部分是由于紫外光诱导下TiO₂和钙钛矿之间可能发生了反应。另外，电池制备中前驱体溶液中、钙钛矿层中的铅元素始终无法完全被其他原子替代，而铅离子不仅对环境、对人体都有较大伤害，如何防止电池被破坏时铅离子的泄露也是一大难题。

本实验拟通过含有磷酸基团的有机磷化物对钙钛矿太阳能电池进行掺杂，达到提升器件光电性能、提升器件稳定性以及固铅的目的。磷酸基团能通过磷氧双键与铅离子形成配位，有机磷化物中的磷酸基团能通过配位对晶胞起到连接作用，使晶格趋于稳定，从而提升钙钛矿层的稳定性。同时在光吸收层被破坏而释放出铅离子时，磷酸基团能够捕获铅离子形成极难溶的磷酸铅，起到固铅的作用。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

器件制备：选择几种不同链长和官能团位置的有机磷化合物作为钙钛矿前驱体溶液掺杂物，用一步法旋涂掺杂不同浓度的有机磷化物的钙钛矿前驱体溶液制备光吸收层并组装器件，研究不同有机磷化物、不同掺杂浓度对器件性能的影响。

器件表征：对实验所制得的钙钛矿太阳能电池进行光电转化性能测试，通过tem、sem、xps、红外等表征手段对其形貌结构进行表征并分析。

3. 研究计划与安排

第1－4周：查阅相关文献资料，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，并完成开题报告。

第5－7周：按照设计方案，确定切实可行的实验技术路线，了解相关表征与测试方法。

第8－12周：按照设计方案，调控掺杂手段，制备薄膜及光电器件。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] c. wadia, a. p.alivisatos, d. m. kammen, environ. materials availability expands theopportunity for large-scale photovoltaics deployment[j]. sci. technol. 2009,43, 2072.

[2] kojima a, teshima k, shirai y,et al. organometal halide perovskites as visible-light sensitizers forphotovoltaic cells[j]. journal of the american chemical society, 2009, 131(17):6050-6051.

[3] https://www.nrel.gov/pv/assets/images/efficiency-chart.png.