摘 要

有机-无机铅卤化物基钙钛矿太阳能电池（Perovskite-Based Solar Cells）被认为是最有前途的第三代光伏技术之一，因为在这几年的研究工作过程中，对其已经提出了认证的效率超过22%。高性能，连同较低的制造成本，使该技术可与先进的薄膜光伏竞争。然而，钙钛矿太阳能电池存在着阻碍其商业化的一些显著缺点，而解决其缺点的一种有效方法就是在器件中引入等离子体金属，利用其表面等离子体共振效应（Surface Plasmon Resonance）改善钙钛矿太阳能电池。

所以本文的研究工作为制备出银纳米三角片，并将银纳米三角片掺入钙钛矿太阳能电池的介孔层中，利用银纳米三角片特殊的光学性质来研究其对钙钛矿电池效率提升的影响以及通过实验寻求最优混合银纳米片的浓度以提高钙钛矿太阳能电池的光电性能。主要工作可分为以下几部分：

（1）利用简单的化学反应实验，通过将特定的量的聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）和AgNO₃进行反应，生成一定尺度三角形银纳米片。实验结果显示，PVP中羟基端基对AgNO₃的缓慢还原对银纳米片的形成起了重要作用，同时纳米片的尺寸均匀性随着反应时间逐渐提高，在反应21小时形成均匀的三角形银纳米片。

（2）在实验室制备无空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池，其主要的结构为FTO玻璃基底、TiO₂致密层、TiO₂介孔层、ZrO₂阻挡层、钙钛矿吸光层以及碳电极。并且在制备电池介孔层的溶液时将三角形银纳米片掺入不同的浓度，观察钙钛矿太阳能电池性能的变化情况。研究发现在钙钛矿太阳能电池介孔层中加入银纳米片后，银纳米片因其表面等离子体共振使其表面的光吸收和散射发生显着增强，因此使钙钛矿太阳能电池的钙钛矿层捕获到了更多的光，同时银纳米片的掺入也改善了介孔层的电导率，这使钙钛矿太阳能电池的光电转换效率（PCE）得到提升，通过实验比较得出最优的银纳米片在介孔层的混合浓度大约为1wt%左右。

关键词：钙钛矿太阳能电池；三角形银纳米片；表面等离子体共振效应

Abstract

The organic-inorganic lead halide-based perovskite solar cell (PSC) is considered to be one of the most promising third-generation photovoltaic technologies because over the past few years of research work, the efficiency of certification has been exceeded twenty two%. High performance, along with lower manufacturing costs, make this technology competitive with advanced thin film photovoltaics. However, perovskite solar cells have some significant drawbacks that hinder their commercialization, and an effective way to solve their shortcomings is to introduce plasma metal into the device and use its surface plasmon resonance effect (SPR) to improve perovskites. Solar battery.

Therefore, the research work in this paper is to prepare a silver nano-triangle film and incorporate the silver nano-triangle film into the mesoporous layer of the perovskite solar cell. The special optical properties of the silver nano-triangle film are used to study the efficiency of the perovskite battery. The effect of the increase and the concentration of the optimal mixed silver nanoplatelets were sought through experiments to improve the photovoltaic performance of perovskite solar cells. The main work can be divided into the following sections:

Firstly, Using a simple chemical reaction experiment, a certain amount of triangular silver nanoplatelets were produced by reacting a specific amount of polyvinylpyrrolidone (PVP) with AgNO₃. The experimental results show that the slow reduction of AgNO₃ by hydroxyl end groups in PVP plays an important role in the formation of Ag nanosheets. At the same time, the dimensional uniformity of nanosheets gradually increases with the reaction time, and uniform triangle silver nanoplates are formed in the reaction for 21 hours.

Secondly, The perovskite solar cell without hole-transporting material was prepared in the laboratory. Its main structure was FTO glass substrate, TiO₂ dense layer, TiO₂ mesoporous layer, ZrO₂ barrier layer, perovskite light-absorbing layer, and carbon electrode. In the process of preparing the mesoporous layer of the battery, the triangular silver nanoplates are doped with different concentrations, and the performance of perovskite solar cells is observed. It was found that after silver nanoplates were added to the mesoporous layer of perovskite solar cells, the surface absorption and scattering of silver nanoparticles was significantly enhanced by the surface plasmon resonance of the silver nanoplates, and thus the perovskite solar cell's calcium titanium was obtained. The mineral layer captures more light, and the incorporation of silver nanoplatelets also improves the conductivity of the mesoporous layer. This improves the power conversion efficiency (PCE) of the perovskite solar cells and provides an optimal comparison through experimental comparison. The concentration of silver nanoplates in the mesoporous layer is about 1wt%.

Key Words：Perovskite solar cells；Triangular silver nanosheets；Surface plasmon resonance effect

目 录

第1章 绪论 1

1.1 前言 1

1.2 钙钛矿太阳能电池的发展及性能 1

1.2.1 钙钛矿太阳能电池的基本结构 1

1.2.2 钙钛矿太阳能电池的发展进程 3

1.2.3 钙钛矿太阳能电池的性能参数 3

1.3 银纳米片的光学性质 4

1.4 银纳米片的应用及课题的提出 5

第2章 钙钛矿太阳能电池的制备 7

2.1 无空穴传输层的钙钛矿太阳能电池 7

2.2 无空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的制备 8

2.2.1 药品和实验设备 8

2.2.2 实验过程 8

2.2.3太阳能电池性能测试及分析 10

第3章 银纳米片的制备及掺入介孔层 11

3.1 银纳米片的制备 11

3.1.1 制备银纳米片的方法 11

3.1.2 药品和实验设备 11

3.1.2 实验过程 12

3.1.3 实验结果与分析 12

3.2 银纳米片掺入介孔层 13

3.2.1 实验过程 13

3.2.2 实验结果及分析 13

第4章 结论及展望 16

参考文献 17

致 谢 19

第1章 绪论

1.1 前言

能源是人类日常生活与文明进步的重要保障，也是世界发展以及全球经济的重要基础。近几年，因为石油等化石能源不光总量有限和无法再生，而且在使用它们的过程中会污染自然环境的原因，当代的能源问题和环境问题日益严峻，人们迫切的寻求一种又丰富且又可再生和清洁的能源。目前人们发现的可再生能源有太阳能、大海的潮汐能、大自然的风能、地下的地热能以及氢能和生物质能等一系列的新能源。然而有的能源因为技术不够好人们不好利用，如氢能和生物质能。而有的能源是使用的地区有要求，如大自然的风能、地下的地热能。而与其它的可再生能源相比，太阳能所蕴含的能量不仅最为庞大，是其他几种能源加起来的上千倍以上，同时也是一种比较清洁的能源。太阳能的利用只有太阳还存在就可以一直使用，且不会受地理位置的影响，这让其更好的造福人类。这些优点让太阳能这种清洁可再生的能源的利用受到了人们越来越多的关注，对于解决世界的能源缺少问题和人类向宇宙发展和进军具有重要的意义。人们对太阳能的利用主要包括太阳能光电转换和太阳能光热转换这两方面^[1]。我们平时经常看到的太阳能热水器就是光热转换比较普遍的应用之一，其给人们的生活带来了不少便利，但其对能量的储存方面效果不好。而太阳能光电转换产生的电能易于储存和输送，可以应用于生活以及日常生产等众多方面，所以太阳能光电转换是太阳能开发以及利用的有效方法。太阳能电池是将太阳能转化成电能的装置，其主要的理论基础是光电效应原理。通俗的说就是只要有光照到了电池之上，电池就可以输出电压和电流，这在物理学中叫太阳能光伏，简称光伏。

太阳能电池从技术发展方面可以分成以下的阶段：晶体硅电池作为第一代太阳电池；以碲化镉太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池、砷化镓太阳电池和铜铟镓硒太阳电池为主作为第二代太阳电池；而第三代太阳能电池则包括热光伏电池和叠层太阳电池、染料敏化电池以及钙钛矿太阳电池等新概念太阳能电池。^[2]而在太阳能电池中钙钛矿太阳能电池，因为它简单的生产工艺，低廉的成本以及光电转化效率比较高从而引起了人们广泛关注^[3]，成为了人们研究太阳能电池的方向之一。

1.2 钙钛矿太阳能电池的发展及性能

1.2.1 钙钛矿太阳能电池的基本结构

钙钛矿型太阳能电池是基于有机无机杂化材料CH₃NH₃PbX₃这类材料制备的薄膜太阳能电池，而这种材料的结构为钙钛矿晶型，并且是一种不仅成本低廉、容易成膜、且带隙比较窄、吸光性能好以及高载流子迁移率的双极性半导体材料。钙钛矿材料的化学式为ABX₃（A：CH₃NH₃ ；B：Pb² ；X：I^一，Br^一或C1^一)，并且有机阳离子A位于其结构立方体的顶点位置，金属B原子位于立方晶胞的体心，卤素X原子位于立方体的面心，其结构如图1.1所示^[4]。