摘 要

本文主要是根据社会的发展过程中，资源短缺与环境污染所呈现出的问题，进行相关对资源利用的研究。地球上的许多能源如煤炭、石油等正在逐渐被消耗，当今许多研究人员将目光转向了可再生能源的开发当中。在地球上，这类能源非常丰富，如太阳能、风能、潮汐能等等，这些能源相比于煤炭石油等化石能源来说，不仅储量丰富，而且还都属于清洁能源，使用过程中不会造成污染。正是由于钙钛矿太阳能电池成本低，制备简单且电池的转换效率较高，研究人员开始研究制备钙钛矿太阳能电池。该种电池的电极材料一般来说可选用导电性能较好的银或铜，但是由于价格昂贵，所以可选用导电性能同样优秀的碳作为导电材料。

论文主要研究了钙钛矿太阳能电池的制作，主要围绕碳电极钙钛矿太阳电池展开，重点研究C电极太阳能电池的材料以及其制备工艺对太阳能电池性能的影响。通过对钙钛矿太阳能电池某一层的制备方法进行改进，以提升钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。

研究结果表明：我们使用两步连续溶液法制作的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率大约为8%，但是根据测试发现该电池的稳定性较差，容易受到空气中的水分及氧气的影响，使得钙钛矿层的材料产生分解，于是我们对钙钛矿层进行改进，向PbI₂中加入PbCl₂进行掺杂处理，最后制得的钙钛矿太阳能电池的转换效率和稳定性有一定的提升。

本文的特色：本文除了对钙钛矿层使用常规的PbI₂之外，考虑到钙钛矿太阳能电池的稳定性，还对其进行掺杂，按照一定的物质的量之比，加入适量的PbCl₂，使得无论在转换效率还是在稳定性方面，最终都有比较好的提升效果。

关键词：碳电极；钙钛矿太阳能电池；电池性能

Abstract

This paper mainly studies the utilization of resources according to the problems of resource shortage and environmental pollution in the course of social development. Many of the Earth's energy sources, such as coal and oil, are gradually being consumed, and many researchers today are turning their attention to the development of renewable energy. On Earth, this type of energy is very rich, such as solar, wind, tidal energy and so on, which are not only rich in reserves but also clean energy compared to fossil energy sources such as coal and oil, and do not cause pollution in the process of use. It is because of the low cost of calcium and titanium solar cells, simple preparation and high efficiency of battery conversion, researchers began to study the preparation of perovskite solar cells. The electrode material of this kind of battery can generally choose silver or copper with good conductivity, but because of the high price, it can choose carbon with the same excellent conductivity as conductive material.

This paper mainly studies the production of calcium and titanium solar cells, mainly around the carbon electrode perovskite solar cells, focusing on the materials of C-electrode solar cells and the effects of their preparation technology on the performance of solar cells. By improving the method of a certain layer of perovskite solar cells, the photoelectric conversion efficiency of perovskite solar cells is improved.

The results show that the photoelectric conversion efficiency of perovskite solar cells made by two-step continuous solution method is about 8%, but according to the test, it is found that the stability of the battery is poor, easy to be affected by moisture and oxygen in the air, so that the material of calcium and titanium ore layer is decomposed, so we improve the calcium and titanium ore layer, Doping treatment was added to the PbI₂, and the conversion efficiency and stability of the perovskite solar cell were improved in the end.

The characteristics of this paper: In addition to the use of calcium and titanium deposits in the conventional PbI₂, taking into account the stability of perovskite solar cells, but also doping, according to the ratio of a certain amount of material, add the right amount of PbCl₂, so that whether in the conversion efficiency or stability, in the end there is a better effect.

Key words: Carbon electrode; Perovskite solar cells; Battery performance

目 录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2研究的背景、目的及意义 1

1.2.1研究背景 1

1.2.2研究目的及意义 2

1.3钙钛矿太阳能电池的结构与原理 2

1.3.1钙钛矿材料的结构 2

1.3.2钙钛矿太阳能电池的结构 3

1.3.3钙钛矿太阳能电池的工作原理 4

1.4国内外研究现状 5

1.4.1国外研究 5

1.4.2国内研究 6

1.5课题研究内容及预期目标 6

第2章 钙钛矿太阳能电池的组成及结构 8

2.1 钙钛矿太阳能电池的组成 8

2.1.1电子传输层 8

2.1.2 钙钛矿层 8

2.1.3空穴传输层 9

2.2 钙钛矿层的研制 9

2.2.1一步溶液法 9

2.2.2两步连续溶液法 9

2.2.3气相沉积法 10

2.2.4气相辅助溶液法 10

2.3 钙钛矿太阳能电池的性能参数 10

2.4本章小结 11

第3章 钙钛矿太阳能电池的制备 12

3.1 实验药品及仪器 12

3.2 实验制备方法 12

3.2.1清洗玻璃 13

3.2.2 TiO₂致密层的制备 13

3.2.3 TiO₂介孔层的制备 13

3.2.4 钙钛矿层的制备 14

3.2.5 碳电极的制备 14

3.3 实验数据处理 14

3.4本章小结 15

第4章 实验工艺改进及电池稳定性研究 17

4.1 掺杂对钙钛矿太阳能电池的效率影响 17

4.2 钙钛矿太阳能电池的稳定性研究 18

4.2.1钙钛矿太阳能电池的稳定性影响因素 18

4.2.2提高钙钛矿太阳能电池稳定性的方法 18

4.3本章小结 20

第5章 总结与展望 21

5.1 结论 21

5.2 展望 21

参考文献 23

致 谢 24

第1章 绪论

1.1引言

随着时间的不断推移，地球上的能源正在不断地被消耗，在我们往常的生活中，石油、煤炭、天然气等化石能源造成了一系列的问题，如环境污染、温室效应等，这些问题随着时间的消逝日趋严重，而由于这些化石能源是不可再生资源，长期使用还会使得地球上的资源短缺。人类从最初的农业社会发展到工业社会再到现如今的科技社会，人们对于能源的需求一直在不断地增长，因此，对于开发出比较清洁且可再生的能源成为全球科学研究人员的重点研究方向之一。

在地球上，如果你仔细观察，会发现有许多的能源可供我们使用，太阳能、风能、地热能以及潮汐能等，这些能源正在逐步成为我们这个缺乏能源星球的替代能源。这些能源都属于清洁可再生的能源，更重要的是这些能源储量丰富，能够满足我们的绝大部分需求。据统计得知，太阳经过核聚变在一个小时内产生的能量相当于我们地球一年内总共消耗的能量之和，由此可知太阳能是有多么丰富了吧，作为地球上总量最多的可再生能源，它已经成为我们一个重要的研究方向。

太阳能的开发利用有这几大优点，一是便于开发，采集；二是属于清洁能源，不会对环境造成污染^[1]；三是储量丰富，太阳对地球产生辐射的能量可以与100多万亿吨煤炭能量相媲美^[2]；四是时间长久，换言之即取之不尽、用之不竭。正是太阳能具有如此多的优点，才使得人们开始对太阳能电池展开研究。

1.2研究的背景、目的及意义

1.2.1研究背景

正是由于太阳能的各种优点，各国科研人员开始致力于太阳能电池的研究。太阳能电池主要是利用了从光能转化为电能的方式，通过光电效应的原理实现这一过程。发展至今，太阳能电池已经有了较大的成果了，不同种类的太阳能电池也相继问世，现在钙钛矿太阳能电池成为了热门的研究方向。

钙钛矿原本指的是CaTiO₃，而之后，大家把钙钛矿作为一种类别，指晶体结构与CaTiO₃类似，其结构通式为ABX₃的一类材料。所谓钙钛矿太阳能电池就是指作为光吸收、光电转换以及载流子输运核心材料的是具有钙钛矿晶型结构的有机金属卤化物的太阳能电池^[3]，这种卤化物为CH₃NH₃PbX₃，其中X一般指的是Cl、Br、I这些卤族元素。钙钛矿具备许多的优点，这些材料具有比较高的消光系数、较高的载流子迁移率，同时其能带宽度合适，扩散长度较长以及具有较低的激子结合能^[4]，再加上钙钛矿材料丰富，制备成本较低，因此该种电池成为了研究热门。近些年来，太阳能电池的转换效率从最初的3.8%增长到了如今的23%。

1.2.2研究目的及意义

钙钛矿太阳能电池的发展可以说是顺应这个时代产生的，当今的世界由于能源紧缺，环境污染较为严重，这些问题引起全世界人民的高度关注。原来我们大都使用的是石油、煤炭及天然气等能源，这些能源都属于不可再生能源，使用后还会产生一定的污染，人们便将目光转向了其他的能源，而太阳能是地球上储量最多的能源，取之不尽、用之不竭，既属于可再生能源，又属于清洁能源，太阳能正是我们追求的理想型能源。

钙钛矿太阳能电池的研究可以有效地解决我们生活中的一系列问题，由于其具有比较高的转换效率和较少的生产成本，它可以广泛应用于农业、工业和生活中，现如今，我们希望能够使得钙钛矿太阳能电池的转换效率能更进一步，以增加对太阳能的利用率，我们希望未来钙钛矿太阳能电池能够成为新一代低成本的主流产品。

1.3钙钛矿太阳能电池的结构与原理

1.3.1钙钛矿材料的结构

钙钛矿一般是指钛酸钙一类的氧化物，后来又把其当做化学式为ABX₃的物质，钙钛矿这一物质是由俄罗斯的矿物学家Lev Perovskite命名的^[5]。钙钛矿的结构可以看成是ABX₃的立方体构型，A和B代表的都是阳离子，X代表的是阴离子，在这个立方体晶胞中，阳离子A是位于该立方体的八个顶点，阳离子B位于该晶胞的中心，X为阴离子，它位于六个面的中心^[6]。在该晶体中，由各晶胞组成的阳离子B和阴离子X进行配位构成正八面体BX^6-，与此同时，阳离子A 位于每8个BX^6-所组成图形的中心，这样可以使得电荷分布更加均匀。

在目前的应用领域，钙钛矿太阳能电池的材料一般为有机-无机杂化钙钛矿材料，常见的无机钙钛矿材料有CaTiO₃和SrTiO₃，这些材料由于电荷、自旋以及其特有的结构相互作用的结果，他们会表现出一些惊异的现象，例如，具有铁电性、磁电性、磁电阻、以及具有反铁磁性和反铁电性，同时还具有超导特性等^[7]。有机金属卤化物钙钛矿的种类比较多，其化学式ABX₃中，A一般指的是阳离子，如CH₃NH₃ ，C₂H₅NH₃ 等；B一般是指金属阳离子，如Pb² ，Cu² ，Sn² 以及Eu² 等；通常来说，阴离子X一般是卤素离子，如Cl^-，Br^-以及I^-等。

1.3.2钙钛矿太阳能电池的结构

钙钛矿太阳能电池的结构根据钙钛矿层与电子传输层和空穴传输层接触方式的不同也会有差别，主要是分为平面异质结结构和介孔结构^[8]。对于平面异质结结构的太阳能电池，主要分为五个部分，分别是FTO刻蚀导电玻璃，ETL电子传输层，接着是钙钛矿吸收层，然后是HTL空穴传输层，最后是金属电极。其异质结位于无机半导体与有机半导体形成的膜之间，这种膜结构为载流子的传输形成了一条连续的通道，但是由于接触面积有限，影响了载流子在其间的传输效率。

在平面异质结结构的电池中，如果根据其中电子以及空穴传输方向造成的差异，可以将钙钛矿太阳能电池的结构定义为正向结构与反向结构^[9]，其结构图分别如下图1.1和图1.2所示。对于正向的电池结构，电子传输层一般采用有机材料PCBM，空穴传输层则会使用无机物氧化镍或者有机PEDOT:PSS材料；相反的，对于反向的电池的结构来说，电子传输层一般使用TiO₂或者ZnO，空穴传输层则会使用spiro-OMeTAD。

图1.1 平面型正向结构电池

图1.2 平面型反向结构电池

而对于介孔结构的太阳能电池来说，它主要分为六个部分，首先都是导电玻璃，接下来第一层是致密的TiO₂层，第二层是TiO₂介孔层，接下来的就是和平面型的电池结构相同，都是钙钛矿吸收层以及HTL空穴传输层和最后的金属电极，结构图如下图1.3所示。

图1.3 介孔型结构电池

其活性层是位于由无机半导体和有机半导体形成的杂乱无序的混合薄膜所组成的，其异质结位于薄膜的接触面当中，相比于平面异质结结构的太阳能电池有更大的接触面积，使得载流子的传输效率得到了大大的提升，但是介孔结构的太阳能电池有个最大的缺点是其传输通道并不是连续的。

1.3.3钙钛矿太阳能电池的工作原理

钙钛矿太阳能电池的工作原理其实与有机太阳能电池的原理相差不多，其进行光电转换的过程可以分为以下几步：

(1)光子的吸收与分离

首先要做的是吸收太阳光，主要是由钙钛矿层完成这一个过程，钙钛矿层的吸光系数比较大，它可以在其本身达到几百纳米的厚度就能够实现对入射光的吸收，同时由于钙钛矿材料的禁带宽度为1.55eV，范围在400-800nm的光都能够吸收。钙钛矿层在吸收大量的光子后就会产生激子，由于激子是电中性的，电场的存在并不会影响它们的运动，它们会根据浓度大小进行扩散，同时由于光吸收层对激子的束缚力较小，因此它们会分离成空穴和自由电子。

(2)载流子的传输

电子与空穴激子对会在钙钛矿的电子或者空穴传输层的界面发生分离，形成单独的电子和空穴，电子传输层和空穴传输层之间的能级差必须要比激子结合能与电荷分离态的库伦结合能之差要大^[10]。在钙钛矿太阳能电池中，载流子传输距离如果比较长的话使得载流子能够进行传输，而较短的传输距离会使得载流子发生复合。

(3)电流的产生

在钙钛矿层与电子传输层或者空穴传输层之间的界面上发生载流子转移的情况时，被分离出来的电子会被电子传输层转移，空穴则会被空穴传输层转移，由于内部存在电场，传输的电子聚集到金属电极上从而形成电流，而传输的空穴则被转移到FTO导电玻璃的电极上，从而形成电压。在这一个过程中，太阳能电池内部的物质并没有发生变化，在太阳能电池将光能转化为电能后，能够很好地保证电池的稳定。

通过对钙钛矿太阳能电池工作原理的理解，我们能够对该种电池的制备过程有个清晰的认识，能够针对它的工作过程改善某些细节，以制得转换效率较高的太阳能电池。