摘 要

当前的人类社会，由于人口的日益增加，导致能源消耗加剧，环境遭到不同程度的破坏，各种自然灾害频繁发生。为了未来长远的发展，人类一直在寻找绿色能源。太阳能是一种环保且可再生的能源，通过生产太阳能电池，能够将太阳能转换为电能，从而有效地缓解人们对能源的需求。本文注重介绍了一种最近兴起、潜力巨大的太阳能电池——钙钛矿太阳能电池及其结构中各层次的旋涂法制备工艺。

论文主要探讨了旋涂法制备钙钛矿太阳能电池过程中，转速和时间对各层成膜及太阳能电池效率的影响。采用控制变量法，依次寻找各层最佳旋涂转速和时间。通过在最佳旋涂转速和时间基础上，改变电池各层其他的影响因素，不断地提高电池效率，从而完成对钙钛矿太阳能电池的优化设计。

实验过程中灵活地使用控制变量法，排除众多外界干扰因素，测量结果较为准确，同时从多个方面完成太阳能电池的优化。

关键词：钙钛矿太阳能电池；旋涂法；优化

Abstract

In current human society, the energy consumption increased, the environment suffered varying degrees of damage as well as natural disasters occurred frequently due to the growing increase of population. For the sake of long-term development in the future, human have been looking for green energy. Solar energy is an environmentally friendly and renewable energy, we are able to convert solar energy into electrical energy through the production of solar cells, so as to effectively alleviate the demand for energy. This article describes a recently developed solar cells with huge potential, perovskite solar cells and its structure of each level in the preparation of spin-coating.

Thesis mainly discusses during the process of perovskite solar cells prepared by the spin-coating, the effects of speed and time to the deposition layers and efficiency of solar cells. The control variable method is adopted, which in turn to find optimal spin speed and time of each layer. We change other factors of each layer to improve the efficiency of solar cells constantly on the basis of optimal spin speed and time, so as to complete the optimization design of perovskite solar cells.

We use the control variable method flexibly in the process of the experiment to exclude other interference factors, making the measurement more accurate, and complete optimization of solar cells in many ways.

Key Words：perovskite solar cells；spin-coating；optimization

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 钙钛矿太阳能电池的兴起 1

1.2 旋涂法制备钙钛矿太阳能电池的研究现状 1

1.3 研究的目的和意义 1

1.4 实验总方案及进度安排 2

1.5 论文结构安排 2

第2章 钙钛矿太阳能电池工作原理及性能测试 4

2.1 钙钛矿太阳能电池的工作原理 4

2.2 实验流程 4

2.2.1 实验药品 4

2.2.2 实验仪器 5

2.2.3 实验步骤 5

2.3 测试钙钛矿太阳能电池性能参数 6

第3章 旋涂法制备致密层时转速和时间的研究与优化 8

3.1 钙钛矿太阳能电池致密层简介 8

3.2 旋涂法制备钙钛矿太阳能电池致密层时旋涂转速的研究 8

3.2.1 实验方案 8

3.2.2 实验数据测量与计算 8

3.2.3 实验分析 10

3.3 旋涂法制备钙钛矿太阳能电池致密层时旋涂时间的研究 10

3.3.1 实验方案 10

3.3.2 实验数据测量与计算 10

3.3.3 实验分析 11

3.4 实验结论 11

第4章 旋涂法制备介孔层时转速和时间的研究与优化 13

4.1 钙钛矿太阳能电池介孔层简介 13

4.2 旋涂法制备钙钛矿太阳能电池介孔层时旋涂转速的研究 13

4.2.1 实验方案 13

4.2.2 实验数据测量与计算 14

4.2.3 实验分析 15

4.3 旋涂法制备钙钛矿太阳能电池介孔层时旋涂时间的研究 15

4.3.1 实验方案 15

4.3.2 实验数据测量与计算 15

4.3.3 实验分析 16

4.4 实验结论 17

第5章 旋涂法制备钙钛矿层时转速和时间的研究与优化 18

5.1 钙钛矿太阳能电池钙钛矿层简介 18

5.2 旋涂法制备钙钛矿太阳能电池钙钛矿层时旋涂转速的研究 18

5.2.1 实验方案 18

5.2.2 实验数据测量与计算 18

5.2.3 实验分析 20

5.3 旋涂法制备钙钛矿太阳能电池钙钛矿层时旋涂时间的研究 20

5.3.1 实验方案 20

5.3.2 实验数据测量与计算 20

5.3.3 实验分析 21

5.4 实验结论 21

第6章 结论 23

6.1 旋涂法制备钙钛矿太阳能电池总结 23

6.2 实验过程中遇到的问题及其他方面的优化 24

参考文献 26

致 谢 27

第1章 绪论

1.1 钙钛矿太阳能电池的兴起

太阳能电池发展过程漫长，大致有以下三个阶段：第一代太阳能电池研究历史最长久，以单晶硅和多晶硅太阳能电池为主体；第二代太阳能电池通过薄膜制作工艺来制造电池，以非晶硅薄膜太阳能电池和多晶硅薄膜太阳能电池为主体；第三代太阳能电池制作工艺中添加了有机物及纳米科技，如光化学太阳能电池、染料敏化太阳能电池等^[1]。前些年，一种钙钛矿结构的有机太阳能电池由于其高光电转换效率、低成本和低能耗而从众多太阳能电池中脱颖而出^[2]，迅速成为当下的研究热点之一。钙钛矿太阳能电池是一种最近兴起的太阳能电池，在染料敏化太阳能电池基础上演化产生，它的光电转换效率提升地极为迅速，从2009年第一块钙钛矿太阳能电池问世时的3.8%^[3]，快速发展至2014年的20.2%^[4]，发展前景呈现一片光明。

1.2 旋涂法制备钙钛矿太阳能电池的研究现状

钙钛矿太阳能电池作为一种全固态薄膜电池^[5]，它结构中的致密层、介孔层、钙钛矿层都是通过旋涂法制备的，实现过程简便易行。旋涂法是优良的薄膜制备方法之一^[6]，实验时操作流程主要有三步：首先要抽真空来固定样本；然后打开旋涂仪，在低转速下用移液枪将旋涂液均匀滴加到样本表面上，经过高速旋转将旋涂液均匀散开到样本表面形成薄膜；最后经过加热并干燥样本后即可得到性能稳定的薄膜。整个过程不仅操作简单、节能环保，而且制备的薄膜厚度均匀。

目前，国内外在研究制备钙钛矿太阳能电池过程中，旋涂法的应用最为广泛，并被不断地改进和创新。程一兵组通过使用旋涂DMF（N，N-二甲基甲酰胺）溶液时滴加氯苯的方法，使得钙钛矿快速析出结晶，从而制备出均匀且质量较高的CH₃NH₃PbI₃薄膜，有效地提高了电池转换效率。Seok组通过使用旋涂GBL（1，4-丁内酯）和DMSO（二甲基亚砜）混合溶剂时滴加甲苯的方法，也制备出均匀且质量较高的CH₃NH₃PbI₃薄膜，并取得了16.7%的高转换效率^[7]。旋涂法虽然有众多优点，但也有不足的地方，比如难以沉淀大面积、连续的钙钛矿薄膜，这会是研究人员将要面对的挑战之一^[8]。

1.3 研究的目的和意义

使用旋涂法制备钙钛矿太阳能电池各功能层时，转速、时间等因素会影响各层成膜的厚度及形貌^[9]，进而影响钙钛矿太阳能电池的转换效率。本次毕业设计首先要了解钙钛矿太阳能电池的工作原理，熟练掌握各功能层的旋涂法制备，然后研究旋涂法制备钙钛矿太阳能电池各功能层时，不同转速和时间对钙钛矿太阳能电池效率的影响。通过分析实验结果，可以找到内在规律，得到各层最佳旋涂转速和时间，并且通过其他的方法完成旋涂法制备钙钛矿太阳能电池的优化，从而有效提高电池的转换效率。

1.4 实验总方案及进度安排

实验总方案：首先探讨旋涂法制备致密层时转速和时间对成膜及太阳能电池效率的影响，在参考参数的基准下，保持介孔层、钙钛矿层的旋涂转速及时间不变，改变致密层的旋涂转速，设置四个转速，对比分析并得出最佳转速。在最佳转速下，设置三个时间，得到最佳时间；其次探讨旋涂法制备介孔层时转速和时间对成膜及太阳能电池效率的影响，在上述致密层最佳旋涂转速和时间的基准下，保持钙钛矿层的旋涂转速及时间不变，改变介孔层的旋涂转速，设置四个转速，对比分析并得出最佳转速。在最佳转速下，设置三个时间，得到最佳时间；最后探讨旋涂法制备钙钛矿层时转速和时间对成膜及太阳能电池效率的影响，在上述两层最佳旋涂转速和时间基准下，改变钙钛矿层的旋涂转速，设置四个转速，对比分析并得出最佳转速。在最佳转速下，设置三个时间，得到最佳时间。实验中改变的都是TimerⅡ的旋涂转速和时间。