摘 要

自从2009年成功制备了第一个钙钛矿太阳能电池，其光电转换效率在几年内迅速增长，最近达到了认证的22.1%。而且钙钛矿太阳能电池还有易于制备、成本相对较低的特点。因此，钙钛矿太阳能电池是非常有前景的太阳能发电材料。但是，由于有机无机杂化卤族钙钛矿材料本身对湿气和高温高热的不稳定性，钙钛矿太阳能电池面临严重的稳定性问题并导致它不能大规模生产和应用。

本文以光学性能良好的全无机钙钛矿体系CsPbI₃为基础，研究了不同Br掺杂量与稳定性和器件效率之间的关系，并制备了结构为FTO/c-TiO₂/CsPbBr_xI_3-x/spiro-OMeTAD/Au的钙钛矿太阳能电池。研究结果表明：

1. 不掺杂溴的CsPbI₃虽然光电转换效率最高达到了3.9%，但在室温环境下不稳定。
2. 溴掺杂量为1的CsPbBrI₂在光电响应和稳定表现最为优异，光电转换效率最高达到了4.26%；三十天的稳定性测试显示其光电转化效率(PCE)只下降了36%。

关键词：全无机钙钛矿；钙钛矿太阳能电池；稳定性；CsPbI₃；CsPbBr_xI_3-x

Abstract

Since the first successful fabrication, perovskite solar cells (PSCs) show a rapid increase in the power conversion efficiencies (PCE), which reached certified 22.1% recently. Besides, PSCs are convenient to fabricate and relatively low-cost. Thus, perovskite solar cells are potential devices for solar energy harvesting in the future. However, the instability of organic-inorganic hybrid halide perovskite, which due to their poor stability against humidity and heat, is the main reason that keep PSCs from mass production and application.

This paper study the effect of the contents of doped Br on the stability and PCE of the devices by CsPbI₃ system. We prepared the perovskite solar cells with the structure of FTO/c-TiO₂/CsPbBr_xI_3-x/spiro-OMeTAD/Au. The specific contents are as follow:

1. The PCE of CsPbI₃ champion devices was up to 3.9%, but they are poor in stability.
2. CsPbBrI₂ is the best in photovoltaic response and stability, and the PCE of its champion devices was up to 4.26%. The devices performed good in stability, which showed a loss of ~36% in PCE within a month.

Key Words：all-inorganic perovskite；perovskite solar cells；stability；CsPbI₃；CsPbBr_xI_3-x

目 录

第 1 章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 钙钛矿太阳能电池的简介 1

1.2.1. 钙钛矿太阳电池的基本结构 1

1.2.2. 钙钛矿太阳能电池工作原理 2

1.2.3. 钙钛矿太阳能电池的研究进展 2

1.2.4. 钙钛矿太阳能材料的研究现状 4

1.2.5. 钙钛矿材料的制备方法 5

1.3 钙钛矿太阳能电池研究中存在的问题 6

1.4 本论文的研究思路及研究内容 7

第 2 章 碘化铅铯及溴掺杂薄膜及其钙钛矿太阳能电池的制备及表征 8

2.1 引言 8

2.2 实验化学试剂与仪器 8

2.3 制备方法和流程 9

2.3.1. 基片的刻蚀与清洗 9

2.3.2. 电子传输层（二氧化钛致密层）的制备 10

2.3.3. 前驱体溶液的制备 10

2.3.4. 碘化铅铯及溴掺杂薄膜的制备 11

2.3.5. 空穴传输层以及对电极的制备 12

2.4 结构及性能表征的方法 12

2.4.1. X射线衍射分析（XRD） 12

2.4.2. 荧光光谱（PL） 12

2.4.3. J-V曲线测试 12

第 3 章 碘化铅铯及溴掺杂系列薄膜与钙钛矿太阳能电池性能分析 14

3.1 碘化铅铯及溴掺杂系列薄膜的XRD表征 14

3.2 碘化铅铯及溴掺杂系列钙钛矿太阳能电池的性能研究 15

3.2.1. 荧光光谱测试 15

3.2.2. J-V曲线测试 16

3.2.3. 碘化铅铯及溴掺杂系列钙钛矿太阳能电池稳定性测试 18

第 4 章 结论与展望 20

4.1 结论 20

4.2 展望 20

参考文献 21

致谢 24

绪论

引言

当今时代，能源短缺和环境污染是影响经济和社会发展的重要因素。传统的化石能源既不可再生，又会产生温室气体或者气体污染，已经不能满足当今时代对清洁、环保、可再生能源的需求。在当下开发的各种新能源技术中，光伏发电无疑是最具有前景的方向之一。太阳一年辐射到地球表面的总量超过地球化石能源储备总量的百倍，是世界上最丰富的清洁能源。太阳能电池是一种把光能转化为电能的清洁发电装置，是一种有效利用太阳能的形式。通过大力开发太阳能发电材料，发展光伏发电，可以很好地解决由当下化石能源带来的诸多问题。

钙钛矿太阳能电池的简介

钙钛矿太阳电池的基本结构

钙钛矿太阳能电池结构见图1，其核心是具有钙钛矿晶型的吸光材料。钙钛矿型化合物是一种化学式为ABX₃的材料，其中A、B位可以被不同的无机阳离子替代。常见的A位有是Cs 、CH₃NH₃ 、C₂H₅NH₃ 等，B 位是Sn² 、Pb² 等具有光电性能的金属离子，X位一般是Cl^-、Br^-或I^-等卤素离子。上述结构的材料很多具备多重特性, 如巨磁阻效应、磁电效应、铁磁效应以及压电效应等。