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摘 要

金属卤化物钙钛矿是一种有机/无机杂化的新型半导体材料，凭借着其可调的能带隙、较高的光吸收系数、较长的激子扩散长度和较低的激子结合能等优异的光电属性，它在当今的太阳能电池和发光二极管领域都取得了很大的关注度。然而，由钙钛矿材料制成的太阳能电池却因为金属卤化物钙钛矿本身的低稳定性难以得到应用，铅基钙钛矿的毒性也是一个阻碍其商业化进程的重要因素。从解决这两个问题的方向出发，我们采取了制备二维锡基钙钛矿太阳能电池的方案，提出了一种结构为ITO/PEDOT:PSS/BA₂FA₃Sn₄I₁₃/PCBM/LiF/Al的反式平面结构钙钛矿太阳能电池。为了研究反溶剂添加时间对二维锡基钙钛矿薄膜和钙钛矿太阳能电池器件的影响，在钙钛矿层的制备过程中，我们改变了添加反溶剂氯苯的时间节点。最终我们发现，在开始旋涂钙钛矿前驱体溶液后25秒时得到的钙钛矿薄膜结晶效果最好，薄膜形貌最佳，器件性能也达到了最高的4.12%。

关键词：太阳能电池，二维钙钛矿，锡基钙钛矿。

Preparation of High Efficiency and Stable Low-dimensional Lead-free Perovskite Photovoltaic Devices

Abstract

Metal halide perovskite is a new type of organic/inorganic hybrid semi-conductor material, which has drawn enormous attention in the field of solar cells and light-emitting diodes due to its excellent photoelectricity properties, such as tunable bandgaps, high optical absorption coefficients, long diffusion lengths, and low exciton binding energies. However, solar cells made of perovskites can hardly make it to the market because of the low stability nature of metal halide perovskites. Meanwhile, the toxicity of lead-based perovskite is another obstruction for its commercialization. To solve the two problems above, we adopted the scheme to prepare one kind of tin-based 2D perovskite solar cells, and proposed an inverted device structure which consists of ITO/PEDOT:PSS/BA₂FA₃Sn₄I₁₃/PCBM/LiF/Al. To study the effect which the timing of anti-solvent adding can have on 2D perovskite films and perovskite solar cells, we have changed the timing when anti-solvent chlorobenzene is added while the preparation of perovskite layer. Finally, we found that adding the anti-solvent 25 seconds after the spin-coating program started turns out to create best crystallinity, film morphology and device performance. The best-performing device in the experiment attained power conversion efficiency of 4.12%.

Key words: solar cells, 2D perovskites, lead-free perovskites.

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1 前言 1

1.2 钙钛矿材料 1

1.3 钙钛矿太阳能电池 2

1.3.1 钙钛矿太阳能电池的常见结构 3

1.3.2 钙钛矿太阳能电池的制备工艺 5

1.4 钙钛矿太阳能电池的稳定性瓶颈 9

1.4.1 钙钛矿太阳能电池稳定性问题的成因 9

1.4.2 二维结构钙钛矿太阳能电池 10

1.5 无铅钙钛矿太阳能电池研究进展 11

1.6 本文的研究内容 13

第二章 实验部分 14

2.1 实验材料与仪器 14

2.2 实验内容 15

2.2.1二维锡基钙钛矿的前驱体溶液配置 15

2.2.2 二维锡基钙钛矿太阳能电池的制备 16

2.2.3钙钛矿薄膜和太阳能电池的表征手段 17

第三章 结果与讨论 18

3.1 二维锡基钙钛矿的晶体结构表征分析 18

3.2 二维锡基钙钛矿的薄膜形貌表征分析 18

3.3 二维锡基钙钛矿的光致发光光谱分析 19

3.4 二维锡基钙钛矿太阳能电池的光伏特性分析 20

第四章 结论与展望 22

4.1 结论 22

4.2 展望 22

参考文献 23

致谢 29

第一章 文献综述

1.1 前言

在科技创新驱动发展，新能源产业迅猛增长的当代，以太阳能、风能等可再生能源逐渐替代不可再生的化石能源是大势所趋。其中，利用太阳能发电的光伏产业又以其待开发资源丰富、适用范围广、环境污染小等产业优势，成为了近年来发展最快的新能源产业之一。本文介绍的钙钛矿太阳能电池作为在光伏产业研究中最为前沿与热门的课题之一，已经是一颗冉冉升起的新星。而制备用于它的核心材料——钙钛矿材料的独特属性，带来了广阔的发展前景，同时也带来了产业化等方面的全新挑战。

1.2 钙钛矿材料

钙钛矿材料（Perovskite），最早见于钙钛矿矿石中的钛酸钙（CaTiO₃），发现者为俄罗斯地质学家Perovskite。在CaTiO₃的三维结构中，正八面体构型的TiO₆共用六个顶角，形成中空的结构，将钙原子包裹其中。这样的结构在通式为ABX₃的材料中广泛存在，例如SrTiO₃和BaTiO₃。目前已知的绝缘体、半导体和超导体中都存在钙钛矿结构的材料，根据多面体BX₃在晶格中的倾斜和旋转，这些材料可以在立方、正方、正交、三角和单斜这些晶相之间转换^[1]。

ABX₃为结构通式的材料要取得电荷平衡有几种方式，其中金属氧化物钙钛矿材料（ABO₃）需要两个金属的氧化数相加等于6。KTaO₃，SrTiO₃和GdFeO₃分别是一价和五价、二价和四价、三价和三价金属相结合的金属氧化物钙钛矿材料。对于金属卤化物钙钛矿材料，A和B氧化数的和须等于3，因此只有一价和二价结合这一种方式，例如CsSnI₃。以目前处在研究中心的金属卤化物钙钛矿材料为例，A离子一般为MA（甲胺，CH₃NH₃ ），FA（甲脒，CH(NH₂)₂ ）或Cs 等阳离子，它们处在由正八面体围成的孔洞内部；B离子一般是Pb² ，Sn² 或Ge² 等金属离子，它们处在正八面体的中心位置；X则代表卤素离子F^-，Cl^-，Br^-，I^-，它们构成了正八面体的六个顶角。最终得到的结构如图1.1所示。

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