论文总字数：20103字

摘 要

随着太阳能电池在集中/分布式发电方面应用的逐渐普及，人们也开始寻找其新的应用场景。与传统的刚性太阳能电池相比，柔性太阳能电池具有轻质、可弯曲、可折叠的优点，这使得其能够被广泛的应用在许多领域。钙钛矿太阳能电池是一项出现仅仅十年的新技术，但是其发展飞速，光电转换效率从最初的3.8%达到了现在的25.2%，这主要得益于钙钛矿材料具有较高的光吸收效率以及载流子迁移效率。在多种钙钛矿太阳能电池的器件结构中，反式结构能够很好的改善器件的稳定性、迟滞效应以及制备工艺，是非常有潜力的柔性太阳能电池的技术方案。

本论文主要从P型金属氧化物出发，探讨这类材料作为柔性反式钙钛矿太阳能电池中的空穴传输层材料时，对器件的稳定性以及光电转换效率（PCE）的影响。本文主要以P型金属氧化物NiO_x为例，探讨其在反式柔性钙钛矿太阳能电池中的应用。通过扫描电子显微镜、X射线衍射分析、稳态-瞬态荧光测试、J-V曲线分析等手段，表征材料的性质。

关键词：钙钛矿太阳能电池；反式结构；空穴传输层； NiO_x

Abstract

With the gradual popularization of the application of solar cells in centralized/distributed power generation, people have also begun to look for their new applications. Compared with traditional rigid solar cells, flexible solar cells have the advantages of light weight, bendablility and foldablilty, which allows flexible solar cells to be widely used in many fields. Perovskite solar cell is a new technology that has only appeared for ten years, but it has rapid development with photoelectric conversion efficiency from the initial 3.8% to the current 25.2%, this is mainly due to the high light of perovskite materials absorption efficiency and carrier migration efficiency. Among the device structures of various perovskite solar cells, the inverted structure can improve the device stability, hysteresis effect and manufacturing process, which is a very promising technical solution for flexible solar cells.

This paper mainly starts with P-type metal oxides and discusses the influence of these materials on the stability of the device and the photoelectric conversion efficiency (PCE) when used as the hole transport layer material of the inverted flexible perovskite solar cell. This article takes P-type metal oxide NiO_x as an example to discuss its application in inverted flexible perovskite solar cells. Through scanning electron microscope, X-ray diffraction analysis, steady-state transient fluorescence test, J-V curve analysis and other means to characterize the properties of the material.

Key Words：perovskite solar cell；inverted structure；hole transport layer；NiO_x

目录

摘 要 I

Abstract I

第1章 绪 论 2

1.1 柔性电子 2

1.2柔性太阳能电池 3

1.3 本课题的主要研究内容 3

第2章 柔性钙钛矿太阳能电池 4

2.1 钙钛矿 4

2.1.1钙钛矿太阳能电池结构 5

2.1.2钙钛矿太阳能电池发展历程 6

2.1.3钙钛矿太阳能电性能参数 6

2.2反式钙钛矿太阳能电池 7

2.2.1反式结构的重要性 7

2.2.2空穴传输层 7

2.3分析表征方法 10

2.3.1钙钛矿太阳能电池的J-V曲线 10

2.3.2扫描电子显微镜分析（SEM） 10

2.3.3X射线晶体衍射分析（XRD） 10

2.3.4稳态、瞬态荧光测试 11

2.3.5原子力显微镜分析(AFM) 11

2.4以P型氧化物NiO_x为空穴传输层的器件制备 11

第3章 结论与展望 16

3.1 结论 16

3.2 展望 16

参考文献 18

致谢 20

第1章 绪 论

1.1 柔性电子

柔性电子是一种具有柔性的电子器件，它不同于我们常见的不可弯曲、不可折叠的刚性器件材料，而是通过将电子器件制作在柔性基板上得到的。因此，其既具有普通电子器件所具备的各种性质，也具有塑料或金属的柔性，可以折叠也可以弯曲。这是一种新兴的电子技术，其柔性的特点使得电子器件可以被应用在多种复杂的环境下。目前，柔性电子的应用遍布各个领域。特别是在信息、能源、医疗等领域。柔性显示屏、柔性传感器、柔性电子皮肤等应用形式，展示了柔性电子技术蓬勃的活力。

柔性电子器件由四个部分组成，包括元器件、柔性基底、交联导电体和黏合层^[1]。所以为使电子器件具备柔性，研究人员通过将元器件柔性化，以及基底柔性化来实现器件的柔性化。柔性基底材料也是目前的研究重点与难点，这些基底由超薄的柔性材料组成，以提供高形变下的结构与功能的完整性。柔性基底材料首先要具备基本的的柔韧性，同时根据具体器件类型的要求，还可能要有良好的导电性、光学透明度、热稳定性以及水氧阻隔性等额外附加的性能。目前，常见的柔性基底材料包括聚合物基底、金属箔基底、超薄玻璃基底以及新型的生物复合薄膜基底等。

随着柔性电子的兴起，为了应对电子器件在弯曲与折叠下还能继续正常工作，那么就要求器件里相应的电源部分也具备柔性可弯曲性能。电子器件里最常见的电源是化学电池，但对于传统的铅酸电池、锂电池等，要求它们在满足弯曲的同时还保持稳定的器件性能是无法达到的。所以这也就引发了柔性电池概念的提出。目前对柔性电池的研究主要分为两类，本征柔性电池和非本征柔性电池^[2]。本征柔性电池是通过改善电极材料，通过制备柔性电极材料来实现复杂环境下的电池结构完整和稳定性；非本征柔性电池则是受到了仿生学和折纸艺术的启发，研究人员采用刚性材料柔性化设计来进行改善电池。

除了以化学电池为代表的储能电源之外，以太阳能电池为代表的能源转化电源为柔性电子提供了新的方向。相比于柔性电池，柔性太阳能电池其可以自身发电，并且可以有效的利用太阳能，充分发挥新能源的优势，使得柔性电子可以脱离电池容量的限制，可以更好的被应用在多种复杂的环境下。

1.2柔性太阳能电池

随着科技与社会的发展，越来越多的人意识到化石燃料的缺点，以及对可再生能源的需求，研究人员将目光投向了太阳。太阳能作为地球上储备最为丰富、来源最为广泛的能源，使得太阳能电池能够成为替代燃料发电的最佳方案。

目前，对太阳能的应用主要分为两个方向，一为光电转换，二为光热转换。光电转换是直接将太阳光的能量转换为可利用的电能，这被称为太阳能电池或者光伏器件，例如市面上常见的太阳能手表、太阳能路灯等，现在不少的光伏器件也已经并网发电。光热转换是直接将太阳光的能量转换为热能，即我们常见的太阳能热水器以及太阳能光热与建筑一体化应用等。还有另外一种是直接将太阳能的能量转换为化学能，这种情况下光生激发态用于促进化学反应，例如通过光分解水获得氢，目前还没有大规模的应用。

柔性太阳能电池与传统的刚性太阳能电池相比，更加轻便，其具有可弯曲和折叠性能，这就使得柔性太阳能电池更易于安装以及运输，不再受限与平坦开阔的地形，可以被用在可穿戴设备、建筑一体化、无人机以及人造卫星等领域。目前可以制备成柔性太阳能电池的光伏技术包括非晶硅太阳能电池、铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池等第二代太阳能电池，以及有机聚合物太阳能电池、钙钛矿太阳能电池等第三代太阳能电池。相比于第一代的晶硅太阳能电池，这些技术都属于薄膜太阳能电池，其核心的半导体材料可以被制备在金属、玻璃以及塑料基底上，这也使得柔性太阳能电池成为了可能。

1.3 本课题的主要研究内容

本课题主要从柔性电子出发，了解柔性器件的发展，了解柔性太阳能电池的几种类型，重点学习柔性钙钛矿太阳能电池的结构、性质与应用。分析反式柔性钙钛矿太阳能电池的优点以及不足，分析不同空穴传输层的不同特性，综述典型有机空穴传输层材料和无机空穴传输层材料的研究现状。以NiO_x为空穴传输层材料，分析了在柔性基底上的材料制备，以及对相应的反式柔性钙钛矿太阳能电池的影响。

第2章 柔性钙钛矿太阳能电池

2.1 钙钛矿

钙钛矿太阳能电池是光伏技术中的新生产物，其中核心的有机无机杂化钙钛矿材料表现出了较高的光吸收特性和优异的载流子分离特性，成为了目前太阳能电池领域的研究热点。对于钙钛矿太阳能电池的研究，研究人员目前主要从钙钛矿材料、电极材料、电子传输层、空穴传输层和器件结构等方面进行工艺优化和新材料开发研究，不断地提高电池的稳定性以及能量转化效率。

狭义的钙钛矿指的是CaTiO₃，是一种天然矿物。具有与CaTiO₃相同的ABO₃晶体结构的金属氧化物材料被称为传统的钙钛矿材料。在钙钛矿CaTiO₃结构中，位于顶角的Ca² 和位于面心的O^2-共同构成了面心立方最紧密堆积（FCC），而Ti⁴ 则位于体心。其中位于八面体体心的Ti离子与位于顶角的O离子通过配位键形成八面体结构[TiO₆]，八面体通过共顶连接形成三维空间网络结构，而Ca离子则填充在八面体所构成的三维网络结构形成的空隙中。钙钛矿晶体结构的稳定性主要取决于容许因子和八面体因子，容许因子和八面体因子主要与A离子，B离子和X离子的离子半径有关，理想情况下钙钛矿结构中两种阳离子的半径与阴离子的半径满足一下关系式：

R_A R_B=2^（1/2）（R_B R_O）

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