摘要
经过十多年的发展，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已从3.8%迅速增长到25.5%，超过了其它新型和部分已经商业化的太阳能电池，显示出巨大的应用前景。但是，其仍然存在大面积器件效率低和稳定性不足等问题。 针对以上问题，本论文通过研究钙钛矿成膜机制，开发大面积钙钛矿薄膜涂布技术，筛选具有良好本征稳定性的钙钛矿材料体系，设计新型模组结构，开发可靠的封装技术，实现了高效、稳定的平面反式钙钛矿太阳能模组。主要研究内容和创新点如下： （1）针对大面积甲胺铅碘（MAPbI3）钙钛矿薄膜成膜不可控的问题，本文基于铅碘酸（HPbI3）和甲胺（MA）的固–液反应，开发了刮刀涂布制备MAPbI3钙钛矿薄膜的方法。一方面，HPbI3的Pb–I满配位结构减少了固有缺陷的形成；另一方面，反溶剂处理促进钙钛矿快速形核保证薄膜形态的连续性。此外，MAPbI3·xMA液态中间相有助于实现形貌重整，消除薄膜孔洞；最后，NH4Cl添加剂的引入进一步提高了钙钛矿的结晶性，得到了高质量的大面积MAPbI3薄膜。基于以上钙钛矿薄膜制备了结构为FTO/Ni0.8Mg0.15Li0.05O/MAPbI3/C60/BCP/Cu的平面反式钙钛矿太阳能电池（活性面积为0.09cm2）和串联模组（全面积为52.80cm2），效率分别为19.00%和15.02%。封装后的模组在白光LED辐照、最大功率点追踪且模组表面温度为48℃的条件下，大气环境老化700小时后，仍可保持初始效率的80%。 （2）针对钙钛矿材料本征稳定性不明晰的问题，本文研究了MAPbI3、FA0.83MA0.17Pb(I0.83Br0.17)3（FA为甲脒）、Cs0.05(FA0.83MA0.17)0.95Pb(I0.83Br0.17)3和FA0.85Cs0.15PbI2.85Br0.15四种钙钛矿薄膜在光（白光LED）、热（65℃）联合应力下的本征稳定性。通过表征老化前后钙钛矿薄膜形貌、结构和光电性能等变化，证实不含MA的FA0.85Cs0.15PbI2.85Br0.15钙钛矿具有最优的本征光、热稳定性，为制备高效、稳定的大面积钙钛矿太阳能模组奠定了基础。 （3）针对大面积甲脒铯（FACs）钙钛矿薄膜涂布成膜困难的问题，通过系统研究N-甲基吡咯烷酮溶剂和室温非挥发性强配位添加剂二苯亚砜对FACs钙钛矿晶体成核与生长速度的影响，结合反溶剂浴处理，开发了基于狭缝涂布技术制备大面积FACs钙钛矿薄膜方法。基于该方法制备的大面积FACs钙钛矿薄膜，制备了结构为FTO/Ni0.8Mg0.15Li0.05O/FA0.83Cs0.17PbI2.83Br0.17/LiF/C60/BCP/Bi/Ag的平面反式钙钛矿太阳能电池和并联模组，分别实现了18.50%（活性面积为1cm2）和17.20%（活性面积为20.77cm2）的光电转换效率；其中，并联模组在第三方光伏认证机构（Newport）的准稳态认证效率达到16.63%。针对模组稳定性问题，进一步开发了基于原子层沉积氧化铝薄膜、拜牢/封盖玻璃、丁基橡胶和铝箔胶带的模组封装方法。封装后模组在自然太阳光昼/夜循环辐照下工作10000小时，仍保持初始效率的97%；在白光LED（光强为1个标准太阳光）辐照、最大功率点追踪且模组表面温度为50℃的条件下，大气环境老化1187小时，仍保持初始效率的95%。
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