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摘 要

三维 (3D) 有机-无机杂化钙钛矿材料具有光吸收能力强、载流子迁移率高、载流子扩散距离长等优点，是薄膜太阳能电池的理想吸光层。钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 的能量转换效率 (PCEs) 在短短几年之内，就突破了22%^[8]。然而三维钙钛矿薄膜成膜性差、环境不稳定成为实现其大规模生产与商业化应用的阻碍。二维 (2D) 钙钛矿薄膜稳定性高、成膜性好，但是光吸收范围窄、激子束缚能大，导致制备的器件效率较低。本文旨在结合 3D 与 2D 钙钛矿材料的优良特性，将 (萘甲胺碘) NMAI、 (碘甲胺) MAI、(碘化铅) PbI₂按照一定化学计量比溶解在 (N,N二甲基甲酰胺) DMF 溶剂中，制备出准 2D 结构钙钛矿。这种准 2D 钙钛矿材料展现出优异的结晶性和薄膜表面形貌。通过优化材料组分、溶液浓度和薄膜退火条件，筛选出的最优器件制备条件为：钙钛矿前驱体溶液浓度：30wt%；NMAI、MAI、PbI₂ 摩尔比：0.5:1:1；旋涂转速：3000 rpm；退火条件：85℃，20 min。

关键词：钙钛矿 太阳能电池 准二维 薄膜形貌

Investigation of solar cells based on quasi-two dimensional perovskite materials

Abstract

Three-dimensional (3D) organic-inorganic hybrid perovskites have emerged as promising abosorbers for thin-film solar cells owing to their outstanding optoelectronic properties such as splendid light-absorbance capability、high carrier mobility and long carrier diffusion length. Rapid material and device optimization has led to power conversion efficiency (PCEs) exceeding 22%^[8] in just a few years.However,the poor film -formation property and environmental instability exist as barriers to its large-scale production and commercialization.On the contrary,the two-dimensional (2D) perovskite films have shown superior moisture stability and film-formation property but poor efficiency. In order to combine the advantages of both the 3D perovskite materials and their 2D analogues, here we report quasi-2D perovskite films deposited from perovskite precursors which are pepared by resolving NMAI,MAI,PbI₂ by appropriate ratios in DMF solvent.The quasi-2D films exhibit excellent crystallinity and morphology. Device optimization denotes the optimal fabrication condition(the concentration of precursor：30wt%;the molar ratio of NMAI,MAI,PbI₂：0.5:1:1;spin-coating rate：3000 rpm;annealing condition：85 ℃,20 min.

Key Words: perovskite;solar cell;quasi-2D;morphology

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 前言 1

1.1 研究背景 1

1.2 钙钛矿材料 1

1.2.1 三维钙钛矿结构与性质 2

1.2.2 准二维钙钛矿结构与性质 3

1.3 钙钛矿太阳能电池 5

1.3.1结构及工作原理 5

1.3.2 钙钛矿太阳能电池研究进展 9

第二章 实验部分 12

2.1 实验思路 12

2.2 溶液配制 12

2.3 器件制备 13

2.4 薄膜表征与器件测试 14

第三章 实验结果与讨论 15

3.1 薄膜的光学性能表征分析 15

3.2 薄膜的晶体结构表征分析 16

3.3 薄膜的表面形貌表征分析 17

3.4 太阳能电池器件的光伏特性表征分析 19

第四章 结论与展望 24

4.1 结论 24

4.2 展望 24

参考文献 26

致谢 29

第一章 前言

1.1 研究背景

太阳能堪称地球上最具有吸引力、最具前景的可再生能源，取之不尽，用之不竭，每分钟照射在地表的阳光能满足全世界整整一年的能源需求^[1]。随着世界能源需求量的日益增长，人们对环境保护的愈发重视，清洁能源太阳能有望取代煤炭、石油等化石燃料的主导地位^[2]。现如今，人们可以使用太阳能电池（SCs）、集成光伏、太阳能热等等手段实现对太阳能的有效利用。虽然太阳能发电量仅占全球发电量的一小部分 (约为1%)，但是随着技术的不断革新、材料的不断开发、光伏技术成本的逐年递减，钙钛矿太阳能电池在全球范围内普及指日可待^[3]。

众所周知，太阳能电池是通过光电效应，实现太阳能转换成电能的有效途径。由晶体硅制得的第一代太阳能电池，光电转换效率高达 30%^[4] 之多，如此高的效率使得传统硅电池能够主导光伏市场长达半个世纪之久^[5]。然而，硅电池的成本相对较高，很难实现大规模的的工业生产。第二代为薄膜太阳能电池，例如砷化镓电池，但其成本高、稳定性不好。为了克服传统电池的缺点，人们以低成本与高效率为目标，开发了第三代太阳能电池，囊括了光凝电池、有机光电池、染料敏化太阳能电池 (DSSCs)、有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 等等一系列光伏产品。第三代光伏电池的 PCEs 高达15-20%^[6]，其形状、颜色、透明度皆可灵活调节，这些卓越的优势使其有望成功替代传统硅电池，应用到未来的光电转换装置中。

在这些电池中，PSCs 脱颖而出，其 PCE 提升迅猛，短短几年之内，就由最初的 3.83%^[7] 上升至 22.1%^[8]，处理成本也大幅降低。PSCs 具有光吸收能力强、电荷重组速率快、载流子迁移率高等等优点。与染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池相比，PSCs 的合成方法相对简单，容易投入实际运用。

1.2 钙钛矿材料

钙钛矿是由钛酸钙（CaTiO3）组成的钙钛氧化物矿物。该矿物在1839年由古斯塔夫·罗斯在俄罗斯的乌拉尔山中发现，并以俄罗斯矿物学家Lev Perovski（1792-1856）命名。后来人们将一系列与 CaTiO₃ 晶型结构一致的氧化物统称为钙钛矿。

1.2.1 三维钙钛矿结构与性质

图1-1是 3D 钙钛矿结构示意图。这种结构的特点是将有机阳离子镶嵌在无机晶格中，通过自组装的方式生长成为形貌规则的立方晶体。A 是小的有机阳离子，占用立方体的顶角位置；B 是占据立方体体心的小的金属阳离子；X是占据立方体面心的阴离子，可以是氧，碳，氮或卤素（氯，溴）或碘）。这种立方晶体也可以看成由 BX₆ 构成的共顶八面体。钙钛矿在 A、B 处分别含有单价阳离子、二价阳离子，与卤素阴离子达到电荷平衡。占据 A、B 位的组分类型不同，可以获得具有不同性质不同结构的钙钛矿，例如铁电体、磁电体、反铁电体、铁磁体、半导体、超电导体^[9]等。

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