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摘 要

钙钛矿太阳能电池因其所具有的高能效、低成本、成型工艺简单等一系列优点而具有广泛的应用前景。但传统正置结构太阳能电池中，器件效率的“滞后性”及易与水氧反应等不稳定因素将大大限制其商业应用。本课题旨在通过引入高效的界面修饰材料，依据器件物理、器件光电化学等相关缺陷表征手段，对高效钙钛矿太阳能电池器件的缺陷钝化机理进行研究，并为进一步优化钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性提供方法思路。本文参考了近年来国内外相关文献，从钙钛矿材料的特性和钙钛矿太阳能电池的结构、工作原理、相关评价体系等多方面对钙钛矿太阳能电池的理论基础和发展前景做了总结。同时本文通过对钙钛矿太阳能电池器件中缺陷的分类、形成机制、作用机理、负面影响、检测方法以及钝化机理等相关国内外文献的总结学习，建立一套表征界面修饰效果和缺陷钝化机理的方法和思路。本文设计了结构为Glass/ITO/TiO₂/fullerene/Perovskite/Spiro-OMeTAD/Ag器件，并预测了富勒烯衍生物的界面修饰效果和该器件的性能表现。同时对于富勒烯优化前后器件各项性能改善的潜在原因做了详细的分析，这对后续研究缺陷钝化机理具有深刻的意义。

关键词：钙钛矿太阳能电池；缺陷；富勒烯衍生物；界面修饰

Abstract

Perovskite solar cells have a wide prospects of commercial application due to their high efficiency, low cost, and easy processing. However, in traditional perovskite solar cells, in addition to unstable factors such as perovskite films reacting with water and oxygen, the hysteresis issue of device will also influence the accurate evaluation of photovoltaic performance, which will greatly restrict its commercial application. According to relevant literatures at home and abroad in recent years, this thesis summarizes the basic theory and development prospects of perovskite solar cells from the aspects of the characteristics of perovskite materials and the structure, working principle and evaluation system of perovskite solar cells. Furtherly, through a summary of relevant domestic and foreign literatures about the classification, formation reason, working mechanism, negative effect, detection methods and passivation mechanism of defects in perovskite solar cell devices, a systmatic methods about characterizing interface modification effects and defect passivation mechanism have been established. Finally, through the introduction of effective interface modification materials, by means of device physics, device photoelectrochemistry and other relevant characterization methods, the defect passivation mechanism of high-performance perovskite solar cell devices are studied, providing insights about furtherly promoting efficiency and stability of perovskite solar cells. Therefore, this thesis designs devices with a structure of Glass/ITO/TiO₂/fullerene/Perovskite/Spiro-OMeTAD/Ag and predicts the interface modification effect of fullerene derivatives and corresponding device performance. At the same time, a detailed analysis about the potential reasons of improved device performance after fullerene modification is performed, providing profound significance for subsequent research on the mechanism of defect passivation.

Key Words：perovskite solar cells；defects；fullerene derivatives；interface modification

目 录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 钙钛矿太阳能电池的发展历程 1

1.4 钙钛矿太阳能电池的结构 3

1.4.1 钙钛矿活性层 4

1.4.2 电极和基底 4

1.4.3 空穴传输层 4

1.4.4 电子传输层 5

1.5 钙钛矿太阳能电池器件的工作原理 6

1.6 钙钛矿太阳能电池的评价体系 7

1.7 本文研究内容 8

第二章 钙钛矿太阳能电池缺陷 9

2.1 钙钛矿的缺陷及作用原理 9

2.2 缺陷对钙钛矿太阳能电池的影响 10

2.3 钙钛矿太阳能电池界面缺陷的钝化方法与机理 10

2.3.1 钙钛矿活性层与电子传输层界面缺陷钝化 11

2.3.2 钙钛矿活性层与空穴传输层界面缺陷钝化 12

2.4 钙钛矿缺陷密度的表征方法 13

2.5 本章小结 14

第三章 通过界面修饰制备高效钙钛矿太阳能电池的设计实验 15

3.1 引言 15

3.2 实验部分 15

3.2.1 试剂、材料、仪器 15

3.2.2 器件制备 18

3.2.3 表征测试方法与原理 19

3.3 推测结果与讨论 20

3.3.1 所选富勒烯衍生物分子结构对改良结果影响的预测与分析 20

3.3.2 缺陷钝化效果与器件性能优化可行性方案 20

3.3.3 缺陷钝化表征技术的理论基础与机理分析 21

3.3.4 器件稳定性预测与分析 22

3.4 本章小结 23

第4章 总结与展望 24

参考文献 25

致 谢 28

第一章 绪论

1.1 引言

伴随人类社会不断发展进步，尤其是进入新世纪以来，整个世界对化石燃料的需求与日俱增，化石燃料使用程度日益加大导致了其日渐枯竭以及使用化石燃料的所带来的环境污染日益严重的问题，环境恶化所带来的压力与能源短缺日渐严重迫使人们去寻找新型可替代的绿色能源，从而是实现绿色可持续的发展。因此太阳能作为一种新型绿色可持续的清洁能源很快得到了很多学者的关注。利用好太阳能有效手段之一就是光伏发电。光伏发电有着成本低、绿色清洁、安全可靠等很多优点。除此之外，太阳能技术不仅符合我国的“新能源战略”而且它具有其他新能源（如水能、风能等）不具备的优点—不受地域性的限制，可以因地制宜的发展。

1883年科学家Charies Fritts研发了第一块太阳能电池板，到现在，太阳能电池器件已经发展到了第三代。第一代太阳能电池，是以晶硅为代表的太阳能电池，这类太阳能电池的光电转化效率（IPCE）虽然较高，但是制备它的原材料是高纯硅，这导致它的成本昂贵，制造工艺繁杂，这严重限制了硅基太阳能电池商业应用的进一步扩大。第二代太阳能电池是一种薄膜工艺制备的太阳能电池，它的代表是无定型硅电池等。虽然该类太阳能电池的制造成本得到控制，但是这类太阳能电池的稳定性差、含有元素为稀有元素故成本较高等问题，严重限制了第二代太阳能电池的市场推广和商业前景。第三代太阳能电池是新概念太阳能电池，追求更高的光伏转化效率和更低的制造成本是第三代太阳能电池的发展研究重点。

以钙钛矿作为活性物的钙钛矿太阳能电池是第三代太阳能电池中发展最引人注意的一种太阳能电池，它不仅具备染料敏化太阳能电池高效的特点还具有有机光伏太阳能电池全固态的特点，同时，钙钛矿太阳能电池器件的制备方法种类繁多，如湿化学法、气相沉淀技术等，这为它的制备提供了不同的思路。经过几年的发展，该器件的效率有了大幅度的提高，是目前有可能代替硅基太阳电池的器件的最佳选择。

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