论文总字数：22522字

摘 要

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 钙钛矿太阳能电池简介 1

1.2.1 钙钛矿材料结构与钙钛矿太阳能电池结构 1

1.2.2 钙钛矿太阳能电池制备工艺 2

1.2.3 钙钛矿太阳能电池的稳定性 3

1.3 钙钛矿太阳能电池层间界面及有机膦化物研究进展 4

1.4 选题意义和主要研究内容 5

第二章 界面修饰工艺的调控 6

2.1 实验药品及器材 6

2.2 实验仪器 7

2.2 以有机膦化物修饰界面的钙钛矿太阳能电池的制备方法 8

2.3 有机膦化物界面修饰涂层的制备 9

2.3.1溶剂种类的选择 9

2.3.2 退火温度时间及旋涂参数的优化 9

2.3.3有机膦化物浓度的优化 10

第三章 对三种有机膦化物对钙钛矿薄膜与SnO2层间界面的修饰 13

3.1 有机膦化物界面修饰涂层钙钛矿太阳能电池的制备 13

3.2 水溶液界面涂层的影响 13

3.2 ATMP界面修饰 14

3.2.1对ATMP修饰界面的电池器件光电性能的研究 14

3.2.2对ATMP修饰界面的钙钛矿薄膜的研究 16

3.2 IDMP界面修饰 18

3.2.1对IDMP修饰界面的电池器件光电性能的研究 18

3.2.2对IDMP修饰界面的钙钛矿薄膜的研究 21

3.3 AMP界面旋涂 23

3.3.1对AMP修饰界面的电池器件光电性能的研究 23

3.3.2对AMP修饰界面的钙钛矿薄膜的研究 25

第四章 结论与展望 27

4.1结论 27

4.2展望 27

参考文献 28

致谢 30

摘要

钙钛矿太阳能电池近年来飞速发展，这源于社会的不断进步以及人们环保意识的持续增强。至今，钙钛矿太阳能电池效率已经达到了25.2%，在众多提升钙钛矿太阳能电池的效率的方法中，界面修饰方法一直被人们广为关注。本文运用有机膦化物对钙钛矿太阳能电池的电子传输层与钙钛矿光吸收层之间的界面进行旋涂修饰，来优化钙钛矿薄膜下表面，改善钙钛矿薄膜形貌，减少层间与层内缺陷，同时优化SnO₂表面。本文将采用的三种有机膦化物为氨基三亚甲基膦酸（ATMP）、亚氨基二亚甲基膦酸（IDMP）和氨甲基膦酸（AMP）。本文通过实验证明经过制备成界面修饰层后，三种有机膦化物对钙钛矿薄膜的形貌都有所改善。实验也对有机膦化物修饰的不同浓度做了讨论，其中1mg/ml IDMP界面修饰层的制备使钙钛矿太阳能电池的效率提升到18.1%。

关键词：钙钛矿太阳能电池；界面修饰；有机膦化物

Abstract

Perovskite solar cells have developed rapidly in recent years, which is due to the continuous progress of society and the continuous enhancement of people's awareness of environmental protection. Up to now, the perovskite solar cell efficiency has reached 25.2%. Among so many methods to improve the efficiency of perovskite solar cells, the interfacial modification method has been widely concerned. In this thesis, the interface between the electron transport layer and the perovskite light absorption layer of the perovskite solar cell is modified by spin coating using organic phosphine compounds to optimize the lower surface of the perovskite film, to improve the morphology of the perovskite film, reduce the interlayer and intralayer defects, and optimize the SnO2 surface at the same time. The three organic phosphines used in this paper are aminotrimethylphosphonic acid (ATMP), iminodimethylphosphonic acid (IDMP) and aminomethylphosphonic acid (AMP). in this paper, the morphology of the perovskite films was improved by the three organic phosphates after the preparation of the interface modified layer. The experiments also discussed the different concentrations of organic phosphine modification, in which the preparation of IDMP interfacial modification layer improved the efficiency of perovskite solar cells to 18.1%.

Key Words：perovskite solar cells; organic phosphine compounds;interface modification

第1章 绪论

1.1 引言

能源是世界发展的驱动力，是人类生存进步的基石。现代社会，随着工业的蓬勃发展，人们对化石能源的使用量日趋增大，地球面临严重的能源危机与环境污染。在这样的情况下，发展清洁可持续并且高效的新能源材料成为大势所趋，大阳能电池也因此得以大力发展。目前，太阳能电池已发展到第三代。第一代是以硅为基础的太阳能电池^[1]，主要包括单晶硅太阳能电池与多晶硅太阳能电池。硅基太阳能电池，尤其是单晶硅太阳能电池，由于转化效率较高，已经实现了商品化，并在大规模应用和工业生产中占据主导地位，但由于其高昂的原材料价格以及繁琐的制备工艺，使得其成本居高不下，而大幅度降低其成本又非常困难。^[2]为此，发展硅电池的替代产品很有必要。于是，第二代太阳能电池——薄膜太阳能电池开始发展，其代表有染料敏化太阳能电池、GaAs太阳能电池等，薄膜太阳能电池相比于硅太阳能电池而言能达到更高的光电转换效率，制备工艺也更为简单，但其原料较为稀有，无法实现可持续发展。^[3]此时，第三代以有机-无机杂化金属卤化物钙钛矿（简称钙钛矿）太阳能电池为代表的太阳电池开始成为研究热点。钙钛矿太阳能电池凭借其原料来源丰富、制备成本低廉、光电性质优越、可溶液加工和低温制备（＜150℃）等优势，成为光伏领域的一个研究热点。^[4]近年来，钙钛矿太阳能电池飞速发展，其效率目前已经达到了25.2%^[5]，发展速度超过了绝大多数发展多年的太阳能电池，是未来太阳能电池发展的主流方向之一。学者们对此进行了大量的探索，通过调节电池各层的物质种类，或是修饰改进器件层间界面，或是对制备工艺进行调控等多种方式来对电池稳定性及效率进行提升。层间界面的研究是研究中的一大热点，通过利用新物质在原有界面上进行表面修饰，来优化电池器件层间界面的形貌已成为研究者们研究钙钛矿太阳能电池的主流思想之一。^[6]

1.2 钙钛矿太阳能电池简介

1.2.1 钙钛矿材料结构与钙钛矿太阳能电池结构

钙钛矿作为钙钛矿太阳能电池的核心材料部分，为电池中吸收光并完成光电转换的部分，其结构如图1.1所示。钙钛矿为ABX3型晶体，理想的ABX3型晶体呈现等轴晶体结构，以立方晶型存在。^[8]其中A位通常为甲胺、甲脒或铯离子（CH3NH3 ,NH2=CH-NH2 或Cs ），B位通常为Pb² 或Sn² ，X位通常为Cl^-、Br^-或I^-卤素阴离子。^[9]

图1.1 钙钛矿材料结构^[7]

钙钛矿太阳能电池目前已经发展了许多结构，但归结起来可以分为介孔型和平板型，平板型又分为正式与反式两种结构。^[10]目前研发较多的是正式钙钛矿太阳能电池，结构如下图[11]所示。正式电池通常来说由上至下依次为导电玻璃基底，电子传输层（ETL），含有钙钛矿材料（PSK）的光吸收层，空穴传输层（HTL）以及顶电极。对于正式器件来说，导电玻璃基底一般选用FTO或ITO玻璃，ETL层以SnO₂或TiO₂为电子传输材料，HTL层通常为spiro-OMeTAD，实验室所用的钙钛矿层材料通常为四混体系的FAMAPbBrI。^[12]

1.2.2 钙钛矿太阳能电池制备工艺

（1）切割并刻蚀FTO玻璃

将大片的FTO玻璃切割为10cm×10cm，然后用飞秒激光刻出刻蚀线。

（2）清洗FTO玻璃

洗玻璃是制备电池必经的步骤，这是为了保证玻璃表面的干净，便于之后的旋涂与电池的制备。洗玻璃需依次经过洗洁精，RO水和乙醇溶液清洗。每次洗完均要进行超声处理15-20分钟，然后用氮气吹干，放入盒中备用

（3）泡制氧化锡薄膜电子传输层

首先配置SnCl2母液，称取1.096gSnCl2•2H2O，5g尿素，5ml浓盐酸，100μl巯基乙酸，溶于400mlUP水中，配置为浓度为0.012mol·L−1的SnCl2•2H2O水溶液，在冰箱中冷藏静置3天后使用。使用时需要对母液进行稀释，即取20mlSnCl2•2H2O水溶液，加入100mlRO水中，超声5min备用。对洗好的玻璃进行紫外光照（UV）处理 15min 左右，目的在于进一步清理玻璃表面的杂质。在超净间内将玻璃置于盛有SnCl2•2H2O稀释液的玻璃盒内，用保鲜膜密封好，放入 70℃恒温箱中保温两小时，使SnCl2•2H2O充分水解产生SnO2附着于FTO表面。两小时后，从恒温箱取出玻璃盒加入RO 水稀释后倒掉溶液，再沿盒壁加入 RO 水，待水浸过玻璃一定程度，将水倒掉，如此反复 4 次。结束后，将盒子放入超声振荡仪 1min 进行超声，之后再重复加水倒水操作 4 次。清洗完毕，将配制好的稀释液溶液与之一起拿入超净间，将玻璃吹干后放入盒中，再加入稀释液，再放入 70℃恒温箱保温2 小时。2 小时后重复上述步骤，即清洗，换液，再放入 70℃恒温箱 1 小时。最后，吹干玻璃，并将其放于加热台上加热，热台设置为加热 10min上升到180℃，并以 180℃的温度保温 60min。这样经过泡制与退火，玻璃表面就成功的生长了一层氧化锡薄膜，作为电子传输层。

(4)有机膦化物界面修饰层制备

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