论文总字数：20861字

摘 要

有机无机杂化钙钛矿材料作为一种吸光性能优异、禁带宽度极佳和载流子扩散速度很高的新型功能材料，在被作为太阳能电池的吸光材料后大放异彩。钙钛矿太阳能电池作为新型的太阳能电池有着成本低廉、效率较高、工艺简单的优点，是新能源领域研究的主要方向之一。本文主要介绍了钙钛矿太阳能电池及其顶电极的基本知识，具体阐述了石墨材料及其产物石墨电极的性能、生产工艺和不同种类石墨电极在太阳能电池中的应用成效，对众多基于石墨电极的钙钛矿太阳能电池进行了比较。总结了目前为止发表的众多石墨电极的成果并提出了一些新的探索方案和未来的研究方向，所得结果对于发展更多更高效更便利的基于石墨电极的钙钛矿太阳能电池具有重要的指导意义。

关键词：石墨材料；顶电极；钙钛矿太阳能电池

Abstract

Organic and inorganic hybrid perovskite, as a new functional material with excellent light absorption performance, wide band gap and high carrier diffusion rate, has been used as a light absorbing material for solar cells. As a new type of solar cell, perovskite solar cell has the advantages of low cost, high efficiency, simple process and environmental friendliness, which is one of the main research directions of new energy. In this paper, the basic knowledge of perovskite solar cell and its top electrode is introduced, and the performance, production process and application effect of different kinds of graphite electrode in solar cell of graphite material and its products are described in detail. Many perovskite solar cells based on graphite electrode are compared. This paper summarizes the achievements of many graphite electrodes published so far and puts forward some new exploration schemes and future research directions. The results obtained have important guiding significance for the development of more efficient and convenient perovskite solar cells based on graphite electrodes.

Key Words：graphite material；top electrode；perovskite solar cells

目 录

第1章绪论 1

1.1研究背景 1

1.2太阳能电池 1

1.2.1简介 1

1.2.2太阳能电池的基本原理 2

1.2.3太阳能电池的性能参数 2

1.2.4太阳能电池的发展进程 3

1.3研究目的及内容 3

第2章钙钛矿太阳能电池 5

2.1有机无机杂化钙钛矿材料 5

2.1.1材料结构 5

2.1.2材料性质 5

2.2钙钛矿太阳能电池 6

2.2.1发展历史 6

2.2.2器件结构 6

2.2.3制备方法 7

第3章以石墨材料为顶电极的钙钛矿太阳能电池 10

3.1石墨材料 10

3.1.1石墨的基本结构 10

3.1.2石墨的性质 10

3.1.3石墨的来源 10

3.1.4石墨的生产工艺 11

3.1.5石墨的分析表征方法 12

3.1.6商品化石墨材料的制备及应用 12

3.2电极 14

3.2.1简介 14

3.2.2顶电极 14

3.3基于石墨材料顶电极的钙钛矿太阳能电池 15

3.3.1碳纳米管 15

3.3.2导电碳浆 16

3.3.3石墨/炭黑 16

3.3.4商品化石墨材料的探索 16

3.3.4.1石墨粉 17

3.3.4.2石墨乳 17

3.3.4.3石墨纸 18

第4章结论 19

4.1总结 19

4.2展望 19

致谢 21

参考文献 22

第1章：绪论

1.1 研究背景

太阳，陪伴地球成长了40多亿年，太阳所发出的热辐射能是地球上生物赖以生存的基石。人们从古代就开始利用太阳能生存以及生活：取暖、晾晒衣服、晒干稻谷、制盐等。但这些应用都并没有充分利用太阳直射的热辐射能，直至近代科技不断进步，人们才得以改善这种状况。

能源是国民经济的重要物质基础，自电力产生后，人们对能源的依赖便开始以几何倍数提升。最初，人们主要依赖的能源来源煤炭和石油等一次能源，在科学技术飞速发展的现在，我们所依靠的能源仍然大部分来自煤炭和石油。尽管中国仍有丰富的未开采的能源资源，但这些不可再生资源总有用尽的一天，我们需要不断探索新型的二次能源和可再生资源，改善国家的能源结构，以备未来的不时之需。

太阳能是一种可再生资源。如今，人类已经消耗了数量庞大的不可再生资源，太阳能已经逐渐成为了人类可用能源的重要组成部分。太阳能具有（1）普遍：无需开采和运输、（2）无害：不会污染环境、（3）储量巨大：每年到达地球表面的热辐射能相当于130万亿吨煤炭且（4）可用时间长久：能量几乎用之不竭等优点，因此其应用前景十分广阔。当然，目前太阳能的利用依旧比较受限，照射到地球的太阳光比较分散且不稳定、转换的效率偏低、成本偏高都使太阳能没有人们想象中那么便利。但对于太阳能的研究不会停止，能源与环境的危机仍旧在督促着我们寻找将太阳能利用和环境保护结合在一起的共赢的策略，无数的专家学者们也在不断探索新的太阳能应用技术。总体来看，太阳能仍会是人们生活中必不可少的一部分。

1.2 太阳能电池

1.2.1 简介

太阳能电池是一种利用太阳光的辐射来发电的半导体。

太阳能电池的基本工作原理是通过光电转换和热电转换将太阳辐射到电池上的能量转换为电能。

根据太阳能电池的不同性能表现，其技术的发展则可以分为三个阶段：第一代太阳能电池一般定义为与硅相关的电池，这类电池起源较早，但目前仍有较好的市场占有率：如单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池。第二代太阳能电池是基于薄膜材料的太阳能电池，这类电池材料消耗少、可制成轻质柔性电池，包括：铜铟镓硒薄膜电池、碲化镉薄膜电池等。第三代太阳能电池则是指工艺更简单，成本更低的一类新型太阳能电池，这类电池一般有更低的成本和更高的性能，如：染料敏化太阳电池、钙钛矿太阳能电池等。

1.2.2 基本原理

传统的电池一般是通过化学反应将内部的化学能转化为电能，而太阳能电池则是通过p-n结将光能转化为电能，其原理基础是半导体p-n结的光生伏特效应。如图1.1。

图1.1

光生伏特效应具体表现为：p-n结形成时，由于n区电子多空穴少，p区空穴多电子少，两者间的浓度差使电子向p区扩散，空穴向n区扩散，在交界处形成了包含正电荷区和负电荷区且存在内建电场的空间电荷区。当太阳光照射到p-n结上时，激发出了半导体内部的空穴-电子对，这些载流子在内建电场的影响下，各自向对方的区域移动并“驻扎”，结果就产生了光生电场^[1]。当p-n结被接入电路，光照即可源源不断得产生电流。

1.2.3 性能参数

太阳能电池的性能参数是太阳能电池质量的数据化提现，人们一般测量的有：开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子和转换效率。在测试时，统一采用的太阳光谱条件为AM1.5及100mW/cm²的光源强度。AM1.5是最常用的地表光伏器件光谱，由于太阳入射到地球不同纬度的天顶角不同，因此相对的等效大气质量也不同。AM1.5所对应的天顶角为48.2°，大部分的国家都处于这个地区，因此测量的太阳光谱都用AM1.5。

图1.2

具体参数如图1.2。

（1）开路电压（Voc）：将太阳能电池置于标准的光照条件下，用仪器测量电池电路开路时太阳能电池两端的电压值。

（2）短路电流（Jsc）：将太阳能电池置于标准的光照条件下，用仪器测量电池电路短路时太阳能电池中流经的电流值。

（3）最大输出功率（Pm）：将太阳能电池置于标准的光照条件下，连通电路并用仪器记录太阳能电池的实时电压与电流值，绘制伏安特性曲线。曲线中面积最大值的点，即电压与电流乘积最大值即为最大输出功率。

（4）填充因子（FF）：填充因子的计算公式如下：

填充因子的大小代表着电池的质量，其值越大，电池的质量越好。

（5）转换效率：太阳能电池的输出功率与太阳光照射到其表面的能量之比。这是衡量太阳能电池质量的重要参数，能够直观的提现太阳能电池的优劣和性能。

1.2.4 发展进程

单晶硅太阳能电池是第一代太阳能电池中最先出现的电池，有着较高的转换效率，因此实现了量产和大规模应用。但由于需要消耗大量的高纯硅，在很长的一段时间内，其高昂的成本和复杂的生产工艺限制了其进一步产业化民用化。在尝试了改进工艺和材料后，多晶硅和非晶硅薄膜太阳能电池应运而生。相较于单晶硅，多晶硅电池在成本方面有很大的改善，效率也很快达到了18%左右，虽然不及单晶硅电池，但因其生产能耗较低、环保无污染而迅速发展，目前仍有较好的发展前景。但多晶硅太阳能电池仍有比较复杂和苛刻的生产工艺条件，与此相比，非晶硅电池的生产方法就较为简单，普遍采用PECVD的方法进行量产，但由于非晶硅太阳能电池的光学带隙在1.7eV左右，与太阳能电池的带隙不符导致转换效率不高，因此非晶硅电池没有得以大规模普及。

之后，人们又研究了一些薄膜太阳能电池如砷化镓、碲化镉等薄膜电池，这类电池普遍含有无机化合物。硫化镉多晶薄膜电池效率和成本适中且易于生产，但镉为剧毒元素，电池生产和使用过程中会有不小的危害；砷化镓化合物电池效率可以达到28%，但由于其材料的特殊性稀有性，缺点和单晶硅电池相同，成本高昂导致不利于普及。

随着科学技术的不断提高，结合了纳米技术的太阳能电池步入了人们的视野。其中，染料敏化太阳能电池以其初始效率较高、低成本、无污染等优势脱颖而出，其主要是以纳米二氧化钛和光敏染料为主要原料的电池，染料制备工艺简单、材料多样，所以成本普遍比较低廉，但效率不高、规模化的制备工艺存在缺陷，还有待未来的不断研究和发展。而钙钛矿太阳能电池发源于染料敏化太阳能电池的研究，在2009年，日本的Kojima等创造性地将甲基碘化铅铵（CH₃NH₃PbI₃）作为吸光材料置于染料敏化电池中，制备了第一个含有钙钛矿材料的太阳能电池。此后，这种新型的以钙钛矿材料为吸光层，同时包含电子、空穴传输层以及顶、底电极的、工艺简单成本较低的太阳能电池逐渐成型，钙钛矿太阳能电池这个名字也正式进入了历史舞台，经过不断的发展，它也逐渐成为新型太阳能电池的代表技术。

1.3 研究目的及内容

请支付后下载全文，论文总字数：20861字