1. 研究目的与意义（文献综述）

常规化石燃料的无节制使用和二十世纪七十年代发生的两次石油危机，使得人们越来越清醒地认识到化石燃料资源迟早会枯竭耗尽。根据我国现已探明可开采的化石能源储量的统计和使用这些能源的速度，可以预计，煤可以应用的时间约为54-81年，石油为15-20年，天然气的时间28-58年，核燃料使用的时间也不会超过百年，前一个数字是预测的估计，后一个数字是保守的估计。因此找到一条可持续发展的包括太阳能在内的可再生能源等的新出路，将是我们避免人类能源短缺与枯竭的紧迫任务。八十年代人们进一步认识到，化石燃料对环境的严重污染所导致的生态破坏、地球温室效应等正日趋严重地威胁着人类的生存。能源短缺和环境污染是当前经济发展面临的两大问题，制约着经济和社会的发展。太阳能作为新能源和可再生能源的一种，是取之不尽、用之不竭的洁净能源。开发利用太阳能，对于节约常规能源、保护自然环境、促进经济发展和提高人民生活都有极为重要的意义。

太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池，其中硅太阳能电池是发展最成熟的，在应用中居主导地位。目前硅太阳能电池的光电转换率大约为18%，而钙钛矿太阳能电池作为新型电池，其光电转换率再不断提高，目前钙钛矿太阳能电池的转换率已达20%以上。钙钛矿太阳能电池具有高效的光电转换率、低廉的制造成本，将会是太阳能电池发展的热点。

多伦多大学的研究团队突破了一项生产低成本可印刷式钙钛矿太阳能电池的技术瓶颈，多伦多大学的tedsargent教授称“钙钛矿型太阳能电池能够以现有技术印刷生产廉价低成本的太阳能电池，钙钛矿型太阳能与硅基太阳能电池的结合能够共同提高转化效率，这种优势现在能够在低温中实现。” 他们开发了一种全新的工艺，来生产太阳能电池关键性元件-选择性电极单基板（esl，electron-selectivelayer），能够在光晶和电子电路间构建桥梁，新的工艺构建的选择性电极单基板为钙钛矿型太阳能电池的低温生产扫除了障碍，让可印刷式钙钛矿型太阳能电池成为现实。新的反应工艺能够让esl生长在溶剂的电极上，这样能够150摄氏度下打造出esl部件，这一温度远远低于大多数塑料制品的熔点。以此工艺生产出来的可印刷式钙钛矿型太阳能电池的光电转换效率已经达到了20.1%,仅仅稍低于高温工艺生产的钙钛矿型太阳能电池的22.1%的光电转换效率。而tan博士团队生产的新型可印刷式钙钛矿型太阳能电池能够在使用500小时后，仍维持90%以上的原有效率。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究的内容和目标

钙钛矿太阳能电池中钙钛矿层的材料CH₃NH₃PbX₃（X=Cl，Br或I）具有极强的吸光性，主要作用是吸收太阳光产生并传输电子-空穴对，对电池效率有着显著的影响。提高太阳能电池效率的一种有效途径是开发不同带隙（Eg）的钙钛矿材料，其中卤素掺杂钙钛矿操作简单易行，且能够有效调整带隙。研究钙钛矿层在CH₃NH₃PbI₃体系基础上I位的掺杂对钙钛矿层成膜及电池效率的影响，通过对钙钛矿层的优化提高电池效率。

2.2技术方案及措施

2.2.1 方案流程图

图1 方案流程图

2.2.2 CH₃NH₃PbI₃薄膜的制备

取氢碘酸和甲胺醇溶液按体积比为1∶2滴入烧瓶并密封，置于0℃环境的磁力搅拌器上搅拌2h，保证反应充分进行，然后使用旋转蒸发仪在60℃温度下旋蒸，得到白色晶体，即CH₃NH₃I。将白色晶体放入真空干燥箱100℃干燥24h即得到CH₃NH₃I。再取CH₃NH₃I与PbI2 以摩尔比1∶1、1.4∶1、1.8∶1、2∶1、3∶1比例加入到20mL丁内脂中，在60℃水浴条件下反应2h。反应完全的溶液颜色为透明黄色液体，将溶液滴在清洗干净的玻璃片上，放进真空干燥箱100℃退火1h，自然形成薄膜。

2.2.3 CH₃NH₃PbI_3-xCl_x薄膜的制备

取CH₃NH₃I∶PbCl₂以摩尔比1∶1的比例加入到20mLDMF中，在60℃ 下搅拌2h，即可到CH₃NH₃PbI_3-xCl_x的DMF溶液。反应完全的溶液颜色为透明黄色液体，将溶液滴片，放进真空干燥箱退火，自然形成薄膜。

2.2.4 CH₃NH₃PbI_3-xBr_x薄膜的制备

取CH₃NH₃PbI₃∶PbBr₂以摩尔比1∶1的比例加入到20mLDMF中，在 60℃下搅拌2h，即可到CH₃NH₃PbI_3-xBr_x的DMF溶液。反应完全的溶液颜色为透明黄色液体，将溶液滴片，放进真空干燥箱退火，自然形成薄膜。

2.2.5 测试方法

测试仪器采用的X射线衍射仪(工作参数:扫描电压40 kV，电流40 mA，其步长0.0167°，扫描范围为10°～70°，掠射角3°) 测量薄膜的晶体结构；采用场发射扫描电镜(FE-SEM: JEOL JSM 6700F) 观察薄膜的微观形貌；采用X射线荧光光谱仪( 型号:Axios advanced )测量材料中Pb、I、Br、Cl的含量；采用紫外可见光光度计(Shimadzu，UV-3101PC)表征薄膜的光吸收特性；采用Keithly2400 型数字源表来测试所制备的钙钛矿太阳能电池的 I-V 曲线，测试光源采用美国Newport 公司的太阳能模拟器(Orial 94023A 型，300W) ，照射方式为背光照射，光强为100mW/cm2。

3. 研究计划与安排

第1－2周：查阅钙钛矿太阳能电池相关文献资料，明确研究内容，基本确立研究思路。

第3－4周：编写上传开题报告，根据导师指出的报告问题进行修改，直到审核通过。

第5－6周：查阅资料和咨询老师，了解掌握钙钛矿太阳能电池的原理及钙钛矿层的制备方法。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]green m a, ho-baillie a, snaith h j. the emergence of perovskite solarcells[j]. nature photonics, 2014, 8(7):506-514.

[2]luo s, daoud w a. crystal structure formation of ch₃nh₃pbi₃-xclxperovskite[j]. materials, 2016, 9(4):58-73.

[3]atourki l, vega e, marí b, et al. mapbi₂-xbrxc₁₀, hybridhalide perovskites: shedding light on the effect of chloride and bromide ionson structural and photoluminescence properties[j]. applied surface science,2016, 390(8):744-750.