摘 要

钙钛矿太阳能电池从首次出现到现在，光电转换效率都在飞速地提高。虽然钙钛矿材料的吸收系数高，价格低廉，但依然有一些难题等待攻克：钙钛矿材料的吸光范围比较宽，但对紫外和红外的吸收不够高，且钙钛矿材料遇水易分解，在低温下易升华；空穴传输材料的合成工艺复杂且价格昂贵，同时贵金属（Au或Ag）作为背电极不仅成本高还需要真空蒸镀等高能工艺制备。钙钛矿太阳能电池若用常规的方法进行制备的话，成本较高，对设备的要求也高，所以目前的研究重点是找到降低制备成本以及提高电池稳定性的方法。

论文主要研究了钙钛矿太阳能电池的碳电极工艺，在实验中采用丝网印刷法，将已制备好的碳浆覆盖在钙钛矿层的表面，制备完成后，对其光学性能进行检测表征。研究结果表明碳电极的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率略低于常规制备的钙钛矿太阳能电池。本文的特色在于取消了空穴传输层结构，制备了无空穴传输层的碳电极钙钛矿太阳能电池。

关键词：钙钛矿太阳能电池；碳电极；光电转换效率；低成本

Abstact

Perovskite solar cells from the first time to now, the photoelectric conversion efficiency are to increase at a rapid pace. Although the absorption coefficient of perovskite material is high and the price is low, there are still some problems waiting to be solved: the absorption range of perovskite material is relatively wide, but the absorption of ultraviolet and infrared is not high enough, and the perovskite material is easily decomposed in water and is easy to sublimate at low temperature. The synthetic process of hole transmission materials is complex and expensive, while the precious metal (Au or Ag) as the back electrode is not only expensive but also requires high energy technology such as vacuum evaporation and plating. Perovskite solar battery if using conventional methods for the preparation, the cost is higher, the requirement of equipment is high also, so the current research focus is to find the preparation cost reduction and the method to improve the stability of the battery.

Thesis mainly studied the carbon electrode of perovskite solar cell technology, using screen printing method in the experiment, the preparation has good carbon paste covered on the surface of titanium calcium deposits, preparation, after the completion of testing characterization of its optical properties. The results show that the photoelectric conversion efficiency of perovskite solar cells with carbon electrode is slightly lower than that of conventional perovskite solar cells. The characteristic of this paper is to eliminate the structure of cavity transfer layer and prepare the carbon electrode perovskite solar cell without cavity transfer layer.

Keywords: perovskite solar cell; Carbon electrode; Photoelectric conversion efficiency; Low cost

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 太阳能电池发展史 2

1.3 国内外研究现状 4

1.4 选题背景及本文主要内容 5

1.4.1 选题背景 5

1.4.2 课题的研究思路与工作内容 7

第2章 钙钛矿太阳能电池 8

2.1 钙钛矿材料简介 8

2.2 钙钛矿太阳能电池的基本结构 9

2.3 PSCs的工作原理 11

2.4 钙钛矿太阳能电池的制备方法 11

2.5 钙钛矿太阳能电池的主要性能参数 12

第3章 PSCs实验部分 13

3.1 PSCs器件的制作 13

3.1.1 透明导电基底的准备 13

3.1.2 致密层的制备 13

3.1.3 多孔层的制备 14

3.1.4 钙钛矿层的制备 14

3.1.5 背电极的制备 14

3.2 PSCs的分析测试方法 14

3.2.1X射线衍射分析（XRD) 14

3.2.2 扫描电子显微镜（SEM） 15

3.2.3 伏安特性曲线测试（J-V） 16

3.2.4 Origin数据处理软件 16

第4章 结论与展望 18

4.1 实验结果分析 18

4.2 总结与展望 20

参考文献 21

致 谢 22

第1章 绪论

1.1 引言

能源和环境是人类生存和发展所能依靠的重要因素。对于一次能源，即天然能源，指的是在自然界现存的能源，比如煤、石油、水能、炭、天然气，也包括风能、太阳能、生物能、地热能等可再生的能源，而二次能源是指需要一次能源进行加工转换生产的能源产品，比如煤气、电力、蒸汽和各种各样的石油制品。不难看出，一次能源和二次能源是按照能源的产生的途径进行区分的。就目前来说，一次能源的核心是天然气、煤炭和石油，它们作为全球能源的基础被认为是源自过去上千年前的太阳能，但同时它们也是不可再生的，在地球上的存储量是很有限的。根据目前人类的开采技术和速度，全球的天然气资源仅可以维持供应67年，煤炭资源最多可以供应164年，而石油资源仅仅只有40年了。

第一次工业革命爆发后，在改良的蒸汽机、汽油机和柴油机为人类社会的发展提供充足动力的同时，也在消耗大量的石化能源，它们不断地向大气中排放硫化物、二氧化碳、氮氧化物和微小颗粒，这些污染物会导致酸雨、雾霾天气的产生，并对生态环境造成严重污染，而且经过这么多年的排放已经对大气造成了严重的危害，已经严重地威胁到了人们的健康以及生存空间。而人类在焚烧化石燃料的时候，由煤炭、石油等产生了大量的二氧化碳及其他温室气体，这些气体对太阳辐射出的可见光是具有很强的透过性，而对于地球发射的长波辐射具有很强的吸收性，能够很大程度地吸收地面辐射中的长波辐射即红外线，从而导致了地球的温度上升，也就是常说的温室效应。温室效应会不断地积累，会造成地气系统发射和吸收的能量失衡，能量在地气系统中不断地增加，从而导致了温度的上升，引发了全球气候变暖。全球气候变暖促使南北极的冰川融化，致使海平面上升，这样适宜人类居住的陆地面积会逐渐减小，不仅造成自然生态系统的失衡也威胁到了人类的生存和发展。而人类在之前很长的一段时间在应用化石能源的同时，也付出了相当昂贵的生态和环境的代价。因此，可持续无污染的可再生能源的研究就迫在眉睫了。

近些年人类对绿色环保能源的投入与研究在不断增加，也取得了不错的成果，比如太阳能、风能、潮汐能、水力发电的成功研发以及它们在商业上的应用。而相比其他清洁能源，太阳能有非常显著的优势。太阳本身就是一个非常大的能源库，相比人类历史发展的几百万年，已经经历了46亿年而且还将继续燃烧50亿年的太阳绝对算得上是一种永不枯竭的清洁能源。有数据表明，它在40分钟内辐射在地球表面的能量相当于人类社会一年的能源消耗。如果用光电转换效率达到10%的光电转换器件覆盖地球表面0.1%区域，可以得到能够满足目前人类社会的能源需求量。并且地热能、水能和风能等能源的分布是会受到地域的限制，但对太阳能来说几乎所有地方都能够建设太阳能电站，因为太阳能的吸收利用是可以不受地理环境限制的。对我国来说，大部分地区的全年平均日照时间比较长，太阳能的开发潜力非常大。

1.2 太阳能电池发展史

最初人类对太阳能的利用，是从太阳能转换成热能开始的，在冬季的晴天去晒太阳感受温暖就是最早期的光热转换方式，现在每个家庭基本普及的热水器也是常见的太阳能利用方式。太阳能转换为热能一般是用装置把太阳辐射的能量集中储存，主要是通过反射、聚焦和吸收等方式，而后转换成足够的热量。另一种太阳能的利用方式是光能转化为化学能，包含有光分解作用、光合作用、光电化学作用等。最后一种就是将太阳能转化为电能，一般原理是：光以光子的形式传输，光子的能量依赖于它的波长，光的颜色不同，它对应的光子波长也不同，当光子的能量较高，固体中的电子吸收光子能够跃迁到更高能级的最低能量时，就会激发电子自由运动，这种现象称为光电效应。在大多数情况下，物质在吸收入射光的光子能量后，电子会跃迁到高能级，然后受激发的电子会快速回到基态，但对于太阳能电池而言，电池内部的PN结会将光电子在回到基态前，运输到外部电路中，当外部电路接通并形成完整回路后，受激发的电子得到的能量会形成电势差进而驱动外部电路的负载形成电流。

在1883年，科学家制备出了首个太阳能电池，当时是利用了硒半导体，且它的转换效率只有1%。后来直到1958年，单晶硅太阳能电池被首次应用于人造卫星上，才真正意义上开启了太阳能电池的时代。太阳能电池发展至今，人们按照原理、结构、制备工艺和材料类别将太阳能电池的发展划分为三代。

第一代是指晶体硅类太阳能电池，主要有单晶硅、多晶硅。如图1.1是晶硅太阳能电池的实物图，其中a为单晶硅太阳能电池的外形，b为多晶硅太阳能电池的外形。单晶硅太阳能电池现阶段的光电转换效率要比其他类型太阳能电池高。目前在实验室条件下制备的单晶硅太阳能电池经认证达到25%的光电转换效率，在大规模的生产应用中光电转换效率可达20%，发展最为成熟，在商业领域的应用上占主导地位。相比高纯度的单晶硅材料的制备流程，多晶硅的生产大幅度降低了硅材料在生产过程的能耗，从而节约了生产成本。而且目前多晶硅太阳能电池经认证光电转换效率可达20.4%，在工业生产中制备的电池也能达到18%的光电转换效率。但传统硅太阳能电池的制备工艺非常复杂，生产成本高，而且环境污染严重，很难大规模生产应用。

图1.1 晶硅太阳能电池的外形a单晶硅太阳能电池的外；b为多晶硅太阳能电池^[1]

第二代是薄膜太阳能电池，主要有铜铟镓硒化物、碲化镉和非晶硅薄膜。相比非晶硅薄膜太阳能电池，硫化镉、碲化镉的光电转换效率是比较高的，并且它们的生产成本比较低，较容易实现大规模的生产操作。但它们含有的镉元素有剧毒，如果长期使用将会对生态环境造成不可逆转的破坏。而砷化镓材料的吸收效率较高，抗辐照能力也较强，并且它的光学带隙非常理想，在实验室条件下制备的电池光电转换效率高达28%。但砷化镓的成本昂贵，这阻碍了它的大规模生产应用。总的来说，薄膜太阳能电池的生产成本要比硅太阳能电池昂贵，且受高温的影响小，能够在各种不良天气条件下工作，且拥有良好的延展性，可以应用在手机、汽车等设备上，也可以广泛应用在建筑物上，发展潜力很大。但这类电池的光电转换效率不够硅太阳能电池高，而且在制备过程中使用的稀有元素在地球上的存储量非常少，限制了其大规模开发。

第三代被称为新型太阳能电池，以有机太阳能电池、染料敏化电池、量子点太阳能电池和钙钛矿太阳能电池为杰出代表。这类电池在第一代电池和第二代电池的基础上，采用新型的器件结构和引入新型材料制备太阳能电池。有机聚合物太阳能电池是一种基于小分子和半导体聚合物的光伏技术，它可以通过选择以及调节各种小分子来实现太阳能电池的多样化的应用。有机聚合物太阳能电池的技术比较简单，可以实现廉价的大面积制作，而且有机材料的来源较广泛，合成简单易实施，分子结构较小。但这类电池容易受到水分和氧气的影响，容易被降解，使得在可靠性和寿命方面表现不理想，这也阻碍了它的发展以及商业化应用。染料敏化太阳能电池（简称DSSCs）是人们利用模仿植物光合作用原理制备的太阳能电池，主要由三部分组成，分别是表面吸附染料敏化剂的光阳极、电解质和对电极,结构如图1.2所示。它的优点在于原材料来源丰富、生产成本低，制备工艺较简单，生产过程无毒无污染，有大规模商业化生产的潜力。但这类电池本身不稳定，电解质中的有机溶剂容易挥发。作为新型太阳能电池的劣势也十分明显，实验与理论的光电转换效率差距较大，长期稳定性也无法保证。

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