摘 要

钙钛矿太阳能电池不仅具有可调谐的光学带隙和较高的开路电压等优良特性，而且还可以低温制备，非常适合与硅太阳能电池组成叠层电池，有望打破单片太阳能电池的能量转换极限，因此研究叠层硅/钙钛矿太阳能电池在理论和实际应用中具有重要意义。

本文设计并制备了一种硅/钙钛矿四电极叠层太阳能电池，对上层钙钛矿电池进行了一系列表征，并且对四电极叠层电池的能量转换效率进行了测量。研究结果表明：制备的硅/钙钛矿四电极叠层电池的总能量转换效率大于单一的子电池的能量转换效率。因此可通过制备高转换效率的钙钛矿太阳能电池并与硅组成叠层电池，总的能量转换效率有望打破肖克利-奎伊瑟限制。

本文的特色是采用溶液法低温制备半透明钙钛矿太阳能电池的关键部位，包括电子传输层，钙钛矿吸收层和空穴传输层。相比于原子层沉积和化学气相沉积法，溶液法制备钙钛矿太阳能电池成本更低、设备及操作过程更为简单且节能。

关键词：半透明钙钛矿太阳能电池；硅/钙钛矿四电极叠层电池；溶液法

Abstract

Perovskite solar cells have excellent photoelectric properties,including low temperature processibility, tunable optical bandgap, and higher open circuit voltage.Therefore, perovskite solar cells are very suitable for forming tandem cells with silicon solar cells and are expected to break the energy conversion limit of monolithic solar cells, and it is of great significance to study tandem silicon/perovskite solar cells.

In this paper, a silicon/perovskite four-terminal tandem solar cell was designed and prepared, a series of characterizations of the upper perovskite battery were performed, and energy conversion efficiency of the four-electrode tandem cell were measured. Results revealed: The total energy conversion efficiency of the silicon/perovskite four-terminal tandem cell is greater than the energy conversion efficiency of a single sub-cell. Therefore, bying preparating high conversion efficiency perovskite solar cells and stacking cells with silicon, the total energy conversion efficiency of tandem cell is expected to break the Shockley-Quayse limit.

The feature of this paper is that the solution process is used to fabricate the key components of semi-transparent perovskite solar cells at low temperature,including an electron transport layer, a perovskite absorber layer, and a hole transport layer. Compared to atomic layer deposition and chemical vapor deposition, the solution-produced perovskite solar cells have lower cost and simpler equipment and operation process.

Key Words:Semi-transparent perovskite solar cells; silicon/perovskite four-electrode laminated cell; solution method

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2硅/钙钛矿叠层电池及研究现状 2

1.3 本文研究内容及章节安排 3

第2章 硅/钙钛矿四电极叠层太阳能电池设计及制备 5

2.1硅/钙钛矿四电极叠层太阳能电池结构及制备方案 5

2.2硅/钙钛矿四电极叠层太阳能电池制备 6

2.2.1电子传输层制备 6

2.2.2钙钛矿层制备 6

2.2.3空穴传输层制备 8

2.2.4透明电极制备 9

2.3 本章小结 9

第3章 硅/钙钛矿四电极叠层太阳能电池测试与分析 10

3.1测试系统 10

3.2钙钛矿电池X射线衍射表征 10

3.3钙钛矿层厚度对透射率的影响 11

3.4透明电极透射率测试 12

3.5 四电极叠层器件性能分析 13

3.6本章小结 14

第4章 总结与展望 15

4.1总结 15

4.2展望 15

参考文献 17

致 谢 19

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

太阳能是一种清洁和可持续利用的资源，地球表面每年接收到的太阳能约为12万兆瓦，是目前的全球能源消耗6-7万倍[^[1]]。而太阳能电池则是把这种“取之不尽用之不竭”的资源直接转化为人类可用能源的工具，因此太阳能电池被视为新世纪最具有潜力的科技之一，太阳能电池的使用将大大减小化石能源的使用，消除人类能源危机，减小空气污染。经过几十年的研究，科学家主要研制出了硅（Si），砷化镓（GaAs），碲化镉（CdTe）和铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池[^[2]]。而硅太阳能电池由于具有极佳的光电性能和成熟的制造技术而成为太阳能电池的佼佼者，并且成功进行了商业化。在过去的十年中，太阳能光伏装置以每年40%的速率增长，比世界上任何能源科技的增长都要迅速[^[3]]，这种增长主要来自晶体硅光伏组件。然而，目前的硅光电池的使用范围仍然较小，其制作成本仍然较大，这抑制了它在电网和住宅的使用，就使得它们难以撼动传统能源的地位。要改变这种现状，就要降低硅电池的生产成本，而提高硅光电池的能量转换效率，就可以降低它产生单位能量的价格，既达到了降低成本的目的。

目前，采用传统单节点结构的硅太阳能电池在实验室中的记录效率达到了25％以上[^[4]]。Shockley-Queisser(肖克利-奎伊瑟)限制指出，由于使用材料的缺陷，本征吸收以及电池精细设计的原因，在标准的AM1.5太阳光照射下，单节点太阳能电池的效率不能超过33.16％[^[5]]。在现实制备过程中，由于诸多条件限制，生产出的单节硅电池很难达到理论极限，所