摘 要

第一章 绪论 7

1.1引言 7

1.2钙钛矿太阳能电池的结构 8

1.2.1钙钛矿材料的结构 8

1.2.2 钙钛矿太阳能电池的结构 8

1.3 钙钛矿太阳能电池的工作原理 9

1.4 钙钛矿太阳能电池器件的制备方法 10

1.4.1 钙钛矿层薄膜的制备方法 10

1.4.2 TiO₂电子传输层的制备方法 11

1.5钙钛矿太阳能电池器件的性能指标 12

1.6.1 选题意义 13

1.6.2 主要工作 13

第二章 实验内容和仪器设备 14

2.1钙钛矿太阳能电池的制备 14

2.1.1 电子传输层溶液的配置 14

2.1.2 ITO玻璃片的清洗 14

2.1.3 TiO₂薄膜喷涂与旋涂制备 15

2.1.4 钙钛矿溶液的配置 15

2.1.5 钙钛矿吸光层的喷涂制备 15

2.1.6 空穴传输层溶液的配置 15

2.1.7 空穴传输层的旋涂制备 16

2.1.8 金属阴极的蒸镀 16

2.2 器件性能测试仪器设备 16

2.2.1 光学显微镜 16

2.2.3 扫描探针显微镜 17

2.2.4 椭圆偏振光谱仪 17

2.2.5 光伏测试系统 17

第三章 喷涂制备钙钛矿太阳能电池 18

3.1 喷涂制备TiO₂电子传输层 18

3.2 喷涂制备钙钛矿吸光层 20

3.3 本章小结 21

第四章 钙钛矿太阳能电池改性及性能优化 23

4.1 TiO₂电子传输层的厚度优化 23

4.2 旋涂PCBM层 23

4.3 改变钙钛矿溶液中PbI₂的纯度 25

第五章 总结与展望 27

参考文献 28

致谢 30

摘 要

随着社会的持续发展，生产力水平的不断提高，能源己经成为制约当前人类社会和经济水平发展的关键因素之一。太阳能同风能、潮汐能、地热能等作为可再生能源开始不断受到人们的重视。太阳能电池是能够直接将光能转换成电能的光伏器件。太阳能电池的发展应用，将有效解决未来能源不足的状况。

本文在以Glass/ITO/TiO₂/Perovskite/Spiro-OMeTAD/Ag为结构的平面异质结钙钛矿太阳能电池制备过程中，运用超声喷涂的工艺制备TiO₂层和钙钛矿层。通过对喷头工进速度、液泵的进液量、喷头高度、超声功率、氮气气压、基底温度等参数进行调整，制备了一批性能较好的钙钛矿太阳能电池器件。同时，通过改变TiO₂层的厚度，钙钛矿溶液中PbI₂的纯度和在TiO₂层与钙钛矿层之间旋涂一层PCBM等方式对喷涂工艺制备的器件进行优化。本实验最终通过旋涂-喷涂工艺制备获得了最高效率为13.97%的器件；通过喷涂-喷涂工艺制备获得了最高效率为15.59%的器件。两种方式制备得到的器件均有较好的稳定性。在TiO₂层与钙钛矿层之间旋涂一层PCBM得到了最高效率为5.16%的器件；以纯度为98%、99%、99.9%的PbI₂分别配置钙钛矿溶液用于制备器件，得到的最高效率分别为6.82%、12.07%、15.59%。

关键词：钙钛矿太阳能电池；超声喷涂；TiO₂；性能优化

Abstract

With the continuous development of society and the continuous improvement of the level of productivity, energy has become one of the key factors restricting the development of human society and economy. Solar energy began to receive attention among human beings as a kind of renewable energy with the wind, tidal energy, geothermal energy. A solar cell is a photovoltaic device with the capablility of converting light energy directly into electrical energy. The development and application of solar cells will effectively solve problem of future energy shortage.

In this paper, TiO₂ layer and perovskite layer were prepared by ultrasonic spraying process in the preparation of planar heterojunction perovskite solar cells with Glass / ITO / TiO₂ / Perovskite / Spiro-OMeTAD / Ag. A series of perovskite solar cell devices with better properties were prepared by adjusting the inlet speed, the inlet volume of the pump, the height of the nozzle, the ultrasonic power, the nitrogen gas pressure and the substrate temperature. At the same time, the devices prepared by spraying process were optimized by changing the thickness of TiO₂ layer, the purity of PbI₂ in perovskite solution and the method of spin coating between PCB layer and perovskite layer. In this experiment, the device with the highest efficiency of 13.97% was obtained by spin coating-spraying process. The device with the highest efficiency of 15.59% was prepared by spraying-spraying process. The devices prepared in both ways have good stability. The maximum efficiency of 5.16% was obtained by spin coating a layer of PCBM between the TiO₂ layer and the perovskite layer. The perovskite solution was prepared by using PbI₂ with purity of 98%, 99% and 99.9% The highest efficiency were 6.82%, 12.07%, 15.59%.

Key Words: Perovskite solar cells；ultrasonic spraying；TiO₂；performance optimization

第一章 绪论

1.1引言

作为人类社会赖以生存发展的物质基础之一，能源占据着重要地位。纵观人类社会发展的历史，人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替。能源的开发利用极大地推进了世界经济和人类社会的发展。随着人类社会的不断进步，能源己经成为制约当前社会和经济发展的最重要因素之一。当前人们仍然主要依赖于石油煤炭等传统的不可再生能源。而世界能源委员会的数据表明，43年后地球的石油将会用尽，66年后天然气将会枯竭，即使是存储量最大的煤炭也会在169年后使用殆尽^[1]。而太阳能同风能、潮汐能、地热能等作为可再生能源，才是人类今后赖以持续使用的能源。其中，太阳能相对于其它可再生能源具有安全无污染，开发利用简单、环保清洁且不受地理环境的限制等诸多优点，是最具有发展前景的可再生能源。太阳能是来自太阳的辐射能量，太阳能电池直接把太阳能转化为人们广泛使用的电能，是一种清洁可再生的能源，近年来己经得到了迅速的发展和广泛的使用。

太阳能电池目前主要有无机太阳能电池、有机太阳能电池和有机无机杂化太阳能电池。传统无机太阳能电池的生产工艺复杂、过程能耗高、原材料纯度要求高，导致其制造成本高^[2]。并且，传统无机太阳能电池器件的制备工艺已经相当成熟，这也在一定程度上宣告了器件光电转换效率基本达到了极限值。有机太阳能电池的开发就是为了降低太阳能器件的生产成本，这种电池的研究最早始于19世纪 50 年代^[3]。但由于各器件的性能都不稳定，使此类电池的研究仍然有很长的路要走。人们在研究过程中逐渐将有机太阳能电池和无机太阳能电池的优点相结合，得到的有机无机杂化太阳电池同时具有无机材料的高迁移率与有机材料的高成膜性和自组装性能。目前的研究表明，以MAPbI₃为代表的有机金属卤化物钙钛矿结构的太阳能电池具有较高的应用前景。电池结构中的吸光材料既钙钛矿拥有很高的消光系数，800nm以下的太阳光能被几百纳米厚的钙钛矿薄膜充分吸收^[4]。与硅电池相比，钙钛矿对绿光和蓝光的吸收明显更强。并且钙钛矿晶体的结晶度近乎完美, 载流子复合因此得到极大的减小, 载流子扩散长度随之增大, 钙钛矿太阳电池能够表现出优异的性能与这些特性密切相关。如何通过提高太阳能电池的光电转化效率来降低光伏发电的成本, 是目前光伏领域的核心研究课题。有机无机杂化的卤素钙钛矿材料在2009年首次被用于太阳能电池中, 当时其光电转化效率只有3.8%^[5]。2011年后人们对该电池的研究取得一系列突破,其光电转化效率于2013年超过15%^[6],在2014年5月已经实现19.3%^[7]。目前在实验室研究中这个数字已经突破了22.1%^[8]。短短的几年时间,钙钛矿太阳能电池的效率先后超越有机太阳能电池(11%)和染料敏化电池(13%)^[9],有望达到单晶硅太阳能电池(25.6%,松下公司日本2014.4.11)的水平^[10]。

1.2钙钛矿太阳能电池的结构

1.2.1 钙钛矿材料的结构

钙钛矿型材料的晶体结构与CaTiO₃相同，是一种非常典型的具有长程有序规整结构的晶体材料。如图1-1所示，钙钛矿型材料的分子结构为ABX₃，其中，A离子为大半径的阳离子，呈12配位结构，位于由八面体构成的空穴内；B离子为小半径的阳离子，与6个X阴离子形成八面体配位，配位数为6；A、B、X三种离子键接形成了面心-体心四方的晶格结构。钙钛矿结构最重要的特征就是半径大小相差悬殊的离子可以稳定共存于同一结构中。