摘 要

有机—无机金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs：perovskite solar cells）由于优异的光电性能以及低廉的制备成本等优势而备受关注，然而钙钛矿太阳电池的商业化应用仍面临着很多难题，如何进行大面积制备就是一大难题，迄今为止报道的高效率钙钛矿太阳能电池均采用旋涂法进行薄膜制备，很难进行大面积制备。

本论文选用可以大面积制备的喷墨打印（inkjet）技术与真空蒸镀法相结合来制备钙钛矿薄膜，并采用相对于正式器件迟滞效应更小、稳定性更好的反式结构p-i-n型钙钛矿太阳能电池，实现了无需旋涂法制备PSCs。通过对蒸镀材料（PbI₂、CsI）组分厚度、喷墨材料（FAI、FABr）浓度以喷墨层数等条件的调整，优化钙钛矿晶体的生长，提高光电性能。测试所制得器件的最高光电转化效率达到11.63%，并通过多种表征方法来探究钙钛矿晶体生长情况，针对结晶情况展开研究。

关键词：喷墨打印；反式结构；无旋涂；钙钛矿太阳能电池

Abstract

Organic-inorganic metal halide perovskite solar cells (PSCs: perovskite solar cells) have attracted much attention due to their excellent optoelectronic properties and low cost of preparation. However, the commercial application of perovskite solar cells still faces many problems. How to fabricate large-area device is a big problem. The high-efficiency perovskite solar cells reported so far have been fabricated by spin coating, which is difficult to prepare for large-area device.

In this paper, inkjet printing (inkjet) technology combined with vacuum evaporation method is used to prepare a perovskite film which can be made in large-area, and a inverted-structured (p-i-n) with a smaller hysteresis effect and better stability than a directed structure is used. In this way we can realize the preparation of PSCs without spin coating. The growth of the perovskite crystal is optimized and the photoelectric properties are improved by adjusting the thickness of the vapor deposition material (PbI₂, CsI), the inkjet material (FAI, FABr) concentration, etc. The highest photoelectric conversion efficiency of the device prepared reached 11.63%, and the growth of perovskite crystals was explored by various characterization methods, and the crystallization was investigated.

Key words: inkjet printing; inverted structure; no spin coating; perovskite solar cell

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 有机-无机卤化钙钛矿太阳能电池(PSCs) 2

1.2.1 钙钛矿晶体结构 2

1.2.2 钙钛矿太阳能电池的结构 3

1.2.3 钙钛矿太阳能电池的工作原理 4

1.3 喷墨打印制备钙钛矿太阳能电池 5

1.3.1 喷墨打印设备 5

1.3.2 喷墨打印原理 5

1.3.2 喷墨打印在PSCs中的应用 6

1.4 论文选题研究内容与意义 7

第2章 喷墨打印制备反式结构钙钛矿太阳能电池 9

2.1 实验试剂与仪器 9

2.1.1 实验试剂 9

2.1.2 实验仪器 9

2.2 实验过程 10

2.2.1 FTO玻璃准备 10

2.2.2 空穴传输层的制备 11

2.2.3 钙钛矿层的制备 12

2.2.4 电子传输层及金属电极的制备 13

2.3 性能测试及表征 14

2.3.1 J-V测试系统 14

2.3.2 扫描电子显微镜(SEM) 14

2.3.3 紫外-可见分光度计(UV-VIS) 14

2.3.4 光电转化效率测试（IPCE） 14

2.3.5 X射线衍射分析（XRD） 15

2.3.6 原子力显微镜（AFM） 15

第3章 喷墨打印在反式PSCs中的应用研究 16

3.1引言 16

3.2咖啡环效应 16

3.2.1产生原理 16

3.2.2喷墨打印中的咖啡环效应 16

3.3喷墨打印制备正式平面结构PSCs 18

3.3.1 基础实验参数研究 18

3.4喷墨打印制备反式平面结构PSCs 21

3.4.1 气相沉积PbI₂厚度对器件的影响 21

3.4.2 喷墨浓度对器件的影响 22

3.5反式平面结构PSCs的表征 24

3.5.1 XRD表征 24

3.5.2紫外-可见吸收光谱(UV-VIS) 25

3.5.3 SEM分析 26

3.5.4 AFM分析 26

3.5.5 器件光电性能表征 27

第4章 结论与展望 28

4.1结论 28

4.2展望 28

参考文献 30

致谢 32

第1章 绪论

1.1 引言

能源每个人都会接触到，它也称作能量资源。可以直接取得做功或者通过加工转化间接获得能量的物质统称为能源（例如风能、太阳能、潮汐能等）。能源可以分为一次能源和二次能源，其中一次能源包括天然气、风能、煤炭、太阳能、原油、水能、核能、生物质能等，二次能源包括电力、热力、成品油等。能源是我们日常生活中不可或缺的物质，无论是智能手机、家用电器的运行到工厂企业的运转，能源都是重要的物质基础。因此，人民的物质生活水平很大程度上取决于能源的开发和利用。随着现代全球经济的高速发展，人们对能源的需求急速增长，两次石油危机的发生也让人们意识到能源的重要性，人民也开始呼吁日常生活中的节能减排。同时各国也针对能源减少的现状提出了对未来的能源发展的新要求-大力发展清洁可再生能源。

于是，越来越多的国家开始了对清洁可再生能源的研究与开发。其中，太阳能凭借其取之不尽用之不竭的特性受到广泛关注，并且其清洁性也不会带来化石能源燃烧带来的大气污染等问题，所以，太阳能作为将来人类重要的能源来源被寄托了很大希望，开发低成本、高效率的新型太阳能电池也成为近年来的研究热点^[1]。