摘 要

钙钛矿太阳能电池是第三代太阳能电池，它有光电转换率高、容易制备、制备成本低等优点。但是，目前钙钛矿太阳能电池所应用的主要材料仍是含铅元素的卤盐，铅元素为重金属元素对环境污染危害极大、影响人类的身体健康。因此，我们打算寻找一种新型材料来替代含铅卤盐，使钙钛矿太阳能电池不仅提高效率，更能实现绿色无污染，这也正是我们开发太阳能资源的主要目的之一。

本文通过利用AFORS-HET软件建立钙钛矿太阳能电池模型，通过查阅文献、查找资料选取来替代铅元素卤盐的材料，将其用作无铅钙钛矿太阳能电池的光吸收层。本次设计中，选取的材料为CsSnI₃。在查阅该材料的光电参数后，通过AFORS-HET软件建立以该材料为光吸收层的钙钛矿太阳能电池，运行仿真得到该电池的理论参数并对其进行研究探讨。

本次设计以TiO₂作为电子传输层，CsSnI3作为光吸层材料讨论了钙钛矿太阳能电池光吸收层以及空穴传输层的各种参数对太阳能电池性能的影响。最终无铅钙钛矿太阳能电池的效率达到23.15％，具有非常好的发展前景。

关键词：钙钛矿；无铅材料；AFORS-HET；光电转换

Abstract

Perovskite solar cell is the third generation solar cell, which has the advantages of high photoelectric conversion rate, easy preparation and low preparation cost. However, at present, the main materials used in perovskite solar cells are halogen containing lead element, which is a heavy metal element and is very harmful to environmental pollution. So we're going to look for a new type of material to replace the lead halide salts, the perovskite solar cells not only improve the efficiency, can realize more green, pollution-free, which is one of the main purpose of the development of solar energy resources.

In this paper, by using AFORS - HET software perovskite solar cell model is set up, information via the consult literature and selected to replace the lead halide salt material, as a lead-free perovskite light absorption layer of solar cells. In this design, the material selected is CsSnI3. After consult the material of the photoelectric parameters, by AFORS - HET software to establish the material for the light absorption layer of perovskite solar cells, and run the simulation to get the battery parameters and carries on the research of theory.

This design with TiO2 as electron transport layer, CsSnI3 as light absorbing layer material discussed perovskite solar light absorption layer and hole transport layer of the influence of various parameters on the solar cell performance. Eventually, though, the efficiency of lead-free perovskite solar cells reached 21.51%. It has a very good development prospect.

Key Words：perovskite；AFORS-HET；free materials；the photoelectric conversion efficiency

目 录

第1章 绪论 1

1.1 无铅钙钛矿太阳能电池背景及意义 1

1.2 无铅钙钛矿太阳能电池的国内外研究现状 1

1.2.1 无铅钙钛矿太阳能电池目前需要解决的问题 2

1.2.2 研究无铅钙钛矿太阳能电池的意义 3

1.3 研究内容 4

（1） 熟悉AFORS-HET软件 5

（2） 设计PCE不低于20%的无铅钙钛矿太阳电池 5

1.4判断太阳能电池性能的参数及计算方式 5

1.5 论文结构安排 6

第2章 无铅钙钛矿太阳电池工作原理及设计软件介绍 7

2.1钙钛矿材料 7

2.2无铅钙钛矿材料及制备方法 7

第3章 对仿真软件AFORS-HET的基本介绍 10

3.1建模仿真过程 10

3.2光电参数设定的介绍 12

第4章 无铅钙钛矿太阳能电池仿真及结果分析 14

4.1无铅钙钛矿太阳能电池的仿真 14

4.2对仿真结果分析及讨论 17

4.3对无铅钙钛矿太阳能电池的未来展望 19

参考文献 20

致 谢 22

第1章 绪论

1.1 无铅钙钛矿太阳能电池背景及意义

近年，全世界所面对的难题均是资源短缺，人类社会每天消耗太多资源，而其中大多是不可再生资源，其储量及其有限，如果再被这样消耗下去最终一定会有被用完的那一天，那么全世界的首要任务就是寻找备用资源，最好是可再生，取之不尽用之不竭，而且是清洁无污染，太阳能便被人们所注意到。

而研究人员认为，未来太阳能将变得更高效、更便宜、更绿色，而能够使之成为现实的是一种叫做钙钛矿的材料。太阳能电池研究领域长江后浪推前浪，而钙钛矿太阳能电池目前被公认为是继传统硅电池之后更加高效、绿色的第三代太阳能电池。1839年俄罗斯科学家首次发现钙钛矿材料，而钙钛矿太阳能电池自从被提出来之后经过近几年的发展,其电池性能甚至超越了其他类型,甚至在2013年被Science评为国际十大科技进展之一。到目前为止,钙钛矿电池的光电转换效率为20.1%。也许你觉得这个数字还是比较低下的，但是对于太阳能电池来说这样的光电转换效率已经是非常之高了,相信在不久的未来有望继续迅速突破^[1]。

钙钛矿太阳能电池经过近几年来专家学者的不断研究，已经取得傲人的成绩，但是目前钙钛矿太阳能电池所主要选用的材料还是含有铅元素的卤盐，而其中的铅元素，作为重金属，对环境的污染很严重。虽然目前钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经很高，但是材料中含有的铅元素对环境的伤害，对土地、水源的污染也是我们必须要考虑的问题。

1.2 无铅钙钛矿太阳能电池的国内外研究现状

钙钛矿太阳能电池对于太阳光的吸收率非常高，而且其载流子迁移距离足够长，制备工艺相较于其他太阳能电池来说较简单。但是在人们看到钙钛矿太阳能电池的发展前景的同时也注意到了其中所含铅元素对环境造成的污染。

近些年，无铅材料开始进入人们的视野。2014年，日本科学家首次通过溴元素与碘元素的配比，以CH₃NH₃SNI₃-xBr_x作为光吸层来制备无铅钙钛矿太阳能电池。虽然，该电池的光电转换效率达到了5.73%^[2]，但是仍为无铅钙钛矿的太阳能电池的研究打开了新的篇章。虽然制备无铅太阳能电池取得成功，但是钙钛矿电池的稳定性依旧不理想，所以人们开始研究尝试用稳定的无机阳离子来代替甲氨基来构建高稳定性的无铅钙钛矿太阳能电池。ABX₃类无机钙钛矿材料与含铅卤盐具有相似的结构，该类化合物又可分为两类，其中一类是卤素钙钛矿材料，另一类是氧化物钙钛矿材料。研究者通过改变原子之间的位置关系来调整光电参数。

由于CsSnX₃，Sn 与 Pb 等元素处于同一主族之中，拥有与铅类似的电子分布。Kanatzidis 等人合成出 Sn-Pb 混合材料，并以此作为钙钛矿太阳能电池的光吸层并通过改变 Sn 和 Pb 的比例来优化材料的带隙宽度，这一研究说明 Sn 有着完全替代 Pb成为钙钛矿太阳能电池吸光材料的潜力。在这之后，越来越多的研究人员采用 Sn 作为钙钛矿太阳能电池中 Pb 的替代品，其中 CsSnI₃作为一种很特别的钙钛矿材料，在室温下拥有两种独立的的结构。一种是黑色的具有钙钛矿晶体结构的 B-γ-CsSn I₃，另外一种是黄色双链结构的 Y-CsSnI₃。其中黄色双链结构的Y-CsSnI₃在太阳能电池中没有光伏响应。

钙钛矿结构的 B-γ-CsSnI₃拥有较为优异的光学性能，Cs离子位于立方体的中心，Sn离子位于立方体的顶角，I离子位于立方体的棱边，12 个 I离子与 Cs离子配位，6 个 I离子与 Sn离子配位。这种结构下，它是一种直接带隙仅为 1.3 e V 的 p 型半导体材料，其光谱吸收最大值达到 950 nm^[3]。此外，它在室温下拥有很强的光吸收系数(10⁴cm⁻¹)、较低的激子结合能(18 me V)和导电性能等等优势。以上优异的性质表明该材料作为太阳能电池的吸光材料有着很好的潜力。

除了卤素钙钛矿材料之外，具有铁电性能的氧化物钙钛矿材料也一直是研究用来代替含铅卤盐的材料之一。人们发现材料的铁电性对光电性能也有着很重要的影响。铁电材料中的自发极化不仅可以促进光激发下电子空穴对的分离，还可以有效减少载流子的复合，从而提高太阳能电池的效率。除此之外，一些具有铁电性能的光电器件的光电压输出甚至超过他们本身的固有带隙，这就进一步提升了这一类材料的能量转换效率。因此，理论上以这种材料为光吸层薄膜制备的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率高达34%，这甚至比传统的硅基太阳能电池所能达到的理论值都高。

迄今为止，钙钛矿的表现超越其他所有新型太阳能材料，钙钛矿太阳能电池具有诱人的发展前景。在目前的研究技术上对其进一步提高光电转换效率、降低制备工艺、增强其稳定性。但是，就目前形式钙钛矿薄膜太阳能电池发展仍然面临以下几个方面的挑战: 多孔支架层的低温制备和柔性化; 廉价、稳定、环境友好的全光谱吸收钙钛矿材料的设计和开发; 高效、低成本空穴传输材料的制备等。此外，如何发展适合工业化生产的电池制备工艺也是十分必要的。

1.2.1 无铅钙钛矿太阳能电池目前需要解决的问题

目前无铅钙钛矿太阳能电池的首要结局难题还是光电转换率较低，造成该难题的主要问题还是太阳光入射时大部分被反射掉，而另外一部分则被吸收或是折射，所能利用好的太阳光少之又少。除此之外，又只有靠近光吸层附近波长的光波才能被吸收，这使得能被利用的太阳光有被减少一部分。所以，目前如何提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率是首要任务。

界面调控：钙钛矿太阳能电池的光电转换效率除了与光照、材料的光电系数有关之外，还与载流子的传输速度密切相关。在钙钛矿太阳能电池中，电子分离产生的自由电子与空穴只有迅速传输到相应的光电极之后才能产生光电流。电子与空穴的收集速度受各个表面材料与厚度的影响。因此，想要在各个界面复合和缺陷捕获之前到达光电极，就必须有快速的传输速度。所以，提高载流子的传输速度对提高钙钛矿太阳能电池的性能有很大的关系。

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