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摘 要

具有优异湿度稳定性的二维层状钙钛矿太阳能电池近年来备受关注。基于二维钙钛矿薄膜的太阳能电池器件在高湿高温环境下表现出良好的稳定性，但却因为其相对较差的电荷传输能力使得电池的光电转换效率较低。

本课题试图通过FA （FA为甲脒，即HC(NH₂)₂）来改善二维钙钛矿材料的光电转换特性，设计并制备(CPEA)₂(MA)_4-x(FA)_xPb₅I₁₆（CPEA即ClC₆H₄C₂H₄NH₃ ，MA为甲胺，即CH₃NH₃ ）二维钙钛矿薄膜及太阳能电池器件，以研究掺杂对于钙钛矿光电转换效率的影响。

同时，本文也对前人所做的一些工作进行了归纳和总结，研究了甲脒有机阳离子掺杂对钙钛矿太阳能电池的影响。FA掺杂入MA形成的二维钙钛矿薄膜晶胞尺寸会变大，这是因为FA离子的尺寸要比MA离子的尺寸要大。在适当的掺杂比例（比例小于50%）下甲脒可以提高薄膜质量和光电转换效率，同时其稳定性相对于三维钙钛矿基太阳能电池也得到了大幅度的提高，可能与二维钙钛矿结构中的长而大的疏水性有机基团有关。

关键词：二维钙钛矿；太阳能电池；有机阳离子掺杂

Abstract

Two-dimensional layered perovskite solar cells with excellent moisture stability have attracted much attention in recent years. The solar cell devices based on two-dimensional perovskite thin films show good stability in high humidity and high temperature environment, but the photoelectric conversion efficiency of the cells is low because of their relatively poor charge transfer capability.

This project attempts to improve the photoelectric conversion characteristics of two-dimensional perovskite materials through FA (FA is formamidine, namely HC(NH₂)₂), design and prepare (CPEA)₂(MA)_4-x(FA)_xPb₅I₁₆ (CPEA is ClC₆H₄C₂H₄NH₃ , MA is methylamine, namely CH₃NH₃ ) two-dimensional perovskite films and solar cell devices, in order to study the influence of doping on the photoelectric conversion efficiency of perovskite.

At the same time, this article also to do some work has carried on the induction and summary, study the armour amidine organic cation doping of perovskite solar cells. The effect of FA doped into the MA form of two-dimensional perovskite membrane cell size get bigger, this is because the FA ion size is bigger than the size of the MA ion. At the appropriate doping ratio (less than 50%) under a amidine can improve the quality of thin film and the photoelectric conversion efficiency, at the same time, its stability is relative to the three dimensional perovskite base of solar cell has been greatly improved, with two-dimensional perovskite structure of long and large hydrophobic organic linkers.

Key Words： Solar cells; Two-dimensional perovskite; organic cation doping

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2二维钙钛矿材料结构 1

1.2.1 钙钛矿基本结构 1

1.2.2 二维钙钛矿基本结构 2

1.3钙钛矿材料发展现状及其存在的问题改进措施 2

1.3.1 钙钛矿电池发展国内外现状 2

1.3.2 存在的问题 3

1.3.3 改进措施 3

1.4二维钙钛矿太阳能电池研究进展 3

1.5二维钙钛矿薄膜的制备方法 4

1.5.1 一步旋涂法 4

1.5.2 连续沉积法 5

1.5.3 其他方法 5

1.6 小结 6

第2章 (CPEA)₂(MA)_4-x(FA)_XPb₅I₁₆制备及性能表征 7

2.1(CPEA)₂(MA)_4-x(FA)_XPb₅I₁₆二维钙钛矿薄膜制备 7

2.2 (CPEA)₂(MA)_4-x(FA)_XPb₅I₁₆基太阳能电池的制备 8

2.3(CPEA)₂(MA)_4-x(FA)_XPb₅I₁₆薄膜及器件性能表征 8

2.3.1薄膜性能表征： 8

2.3.2太阳能电池器件表征： 9

第3章 甲脒(FA)有机阳离子掺杂对钙钛矿太阳能电池影响 10

3.1引言 10

3.2晶相和结晶度分析 11

3.3表面形貌分析 13

3.4太阳能电池器件光电性能测试 14

3.5太阳能器件稳定性测试 18

第4章 总结和展望 22

4.1总结 22

4.2展望 22

参考文献 23

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 研究背景

当今世界的发展已经与能源产生了密不可分的关系，虽然当今社会的主流能源仍然是煤炭、石油、天然气等，但是它们提供能源的同时也对环境和大自然造成了严重的污染，与此同时，这些传统能源的日益枯竭仿佛人类社会的发展广阔天空飘来的一片乌云。所以，科学家们迫切的进行着提高能量密度和调整能源结构的研究。这时候，高效清洁的太阳能能源进入了人们的视野，太阳能不仅环保而且储量巨大，如何将太阳能既低成本又高效率的利用成为了能源科学界的一颗明珠。

追溯太阳能电池的发展历程，第一代太阳能电池主要是以硅为原材料而制备出来的太阳能电池，第一块硅太阳能电池是贝尔实验室在1954年所制造出来的，这正式开启了太阳能电池的时代，到今天，硅基太阳能电池仍是太阳能电池的主力军，占据了市场的90%以上的份额。第二代太阳能电池为多元化合物薄膜电池，主要基底为CdTe和GaAs等。第三代的太阳能电池为新概念电池，主要以染料敏化技术、量子点电池技术和有机太阳能电池技术为依托，钙钛矿太阳能电池就属于第三代太阳能电池。

属于第三代的钙钛矿太阳能电池正在高速发展，但是因为其稳定性差等诸多原因一直未能进行大规模商业化应用，科学家们发现了具有结构多样性和可调性的2D有机-无机杂化钙钛矿。从结构上看，二维钙钛矿是在三维钙钛矿中插入了长链疏水性有机阳离子，所以二维钙钛矿往往比三维的钙钛矿具有更高的稳定性。因为二维钙钛矿具有诸如优异的电学和光学性质等极佳的物理性质，同时二维钙钛矿材料可以通过改变插入的有机阳离子的种类和比例来调节钙钛矿层的厚度易于调控，二维钙钛矿的研究前景被普遍看好。

1.2二维钙钛矿材料结构

1.2.1钙钛矿基本结构

传统的钙钛矿是指钛酸钙(CaTiO₃)，但是在这里指的是具有类似于钛酸钙晶体结构的晶体，即广义上的钙钛矿，它具有ABX₃的化学式，是一种无机-有机杂化化合物。A位置一般为有机阳离子，在高温高湿条件或者长时间暴露在光照下，全无机钙钛矿易分解，所以在A位子引入有机阳离子以克服钙钛矿的热不稳定性问题，通常为MA 、FA 等有机阳离子；B位置为二价阳离子，一般最常用的是铅离子，也有Sn² 、Ge² 等，但是因为铅离子有毒性，目前也在开展其他二价阳离子的研究；X位置为卤族元素，Cl^-、Br^-、I^-这些离子均有应用。

钙钛矿结构中A离子（有机阳离子）和X离子（卤族离子）一起构成了面心立方堆积，A离子位于顶角，X离子位于面心，B离子也就是金属离子位于体心。A、B、X的配位体为12、6、6，B离子和X离子构成一个正八面体，B离子占据正八面体的中心，这种结构在三维空间上无限延伸，最终形成了类似网络状的结构 ^[1,2]。

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