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摘 要

二维层状钙钛矿太阳能电池近年来受到广泛关注，与三维钙钛矿薄膜太阳能电池相比，基于二维层状钙钛矿薄膜的太阳能电池具有良好的稳定性，但其制备成本普遍偏高，且因作为电子传输层（ETL）主要材料的TiO2的电荷传输能力较差，电池的光电转换效率较低。

本课题拟通过研究不同电子传输层(如TiO₂，SnO₂)对基于(ClC₆H₄C₂H₄NH₃)₂(CH₃NH₃)₄Pb₅I₁₆的钙钛矿太阳能电池性能的影响，以完成对电子传输层/二维钙钛矿薄膜界面的调控研究。

同时，本文对前人的部分研究结果进行了归纳总结，研究了低温法制备的不同电子传输层的性能与其对钙钛矿薄膜以及电池器件性能的影响。研究结果表明：采用低温法制备的具有优异电学性能的TiO₂/ SnO₂双分子层ETLs改善了电子的提取和输运性能，调节了ETL与钙钛矿层之间的能带排列。TiO₂/ SnO₂ PSCs的开路电压、功率转换效率、短路电流密度与填充因子远远优于TiO₂或SnO₂ PSCs。这可能与TiO₂/ SnO₂双分子层ETLs的导带值偏小使能量偏移减小有关。

关键词：二维钙钛矿；太阳能电池；电子传输层

Abstract

Two-dimensional layered perovskite solar cells attracted much attention in recent years, compared with 3D perovskite thin film solar cells, based on two-dimensional layered perovskite thin film solar cell has a good stability, but the preparation cost is generally on the high side, and because as electron transport layer (ETL) main material of TiO2 charge transport ability is poorer, battery photoelectric conversion efficiency is low.

This study intends to study the effects of different electron transport layers (such as TiO₂ and SnO₂) on the performance of perovskite solar cells based on (ClC₆H₄C₂H₄NH₃)₂(CH₃NH₃)₄Pb₅I₁₆, so as to complete the study on the regulation of the interface between electron transport layer and two-dimensional perovskite thin film.

At the same time, this paper summarizes some of the previous research results, and studies the performance of different electron transport layers prepared by low-temperature method and its influence on the performance of perovskite film and battery devices.

The results show that the ETLs of TiO₂/ SnO₂ bimolecular layer prepared at low temperature with excellent electrical properties can improve the extraction and transport properties of electrons and adjust the energy band arrangement between ETL and perovskite layer. The open-circuit voltage, power conversion efficiency, short-circuit current density and filling factor of TiO₂/ SnO₂ PSCs are far superior to TiO₂ or SnO₂ PSCs. This may be related to the decrease of energy migration due to the small conduction band value of ETLs of TiO₂/ SnO₂ bimolecular layer.

Key Words： Solar cells; Two-dimensional perovskite; Electron transport layers

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2钙钛矿太阳能电池的材料与结构 2

1.2.1 钙钛矿材料的结构 2

1.2.2 钙钛矿材料的稳定性 3

1.2.3 钙钛矿太阳能电池的结构 4

1.3二维钙钛矿太阳能电池的研究现状 6

1.4电子传输层的常见种类与制备方法 6

1.5本论文的研究内容 7

第2章 实验 8

2.1实验原料与药品 8

2.2 二维层状钙钛矿薄膜的制备 9

2.3太阳能电池的制备 9

2.4性能表征 10

第3章 性能表征 11

3.1引言 11

3.2电子传输层的表征 12

3.3钙钛矿薄膜的表征 13

3.4电池器件性能的表征 14

第4章 总结和展望 16

4.1总结 16

4.2展望 16

参考文献 17

致 谢 19

第1章 绪论

1.1 研究背景

第二次工业革命以来，工业化的进程不断加速，人类社会正快速发展，人们对能源的需求不断增长。尤其是近些年，煤、石油、天然气等不可再生的化石燃料被大量开采与使用，能源危机问题日趋严峻。化石燃料燃烧释放出大量二氧化碳，造成温室效应、冰川融化、海平面上升等，与此同时还释放出大量氮化物、硫化物等有害气体，燃烧不充分产生大量粉尘，污染生态环境，危害居民身心健康，严重影响了经济发展和社会进步。因此，人们迫切地需要开发利用清洁高效的可再生能源,如太阳能、风能等。在众多新能源技术中，太阳能电池技术是最具有应用前景的方向之一。钙钛矿太阳能电池更是作为一种低成本高效率的固态电池于近几年来受到太阳能电池业内的广泛关注，因其开发潜力被誉为“光伏领域的新希望”。

钙钛矿材料作为太阳能电池的吸收层，具有高载流子迁移率、长扩散长度、强光吸收能力、高发光效率等优点^[1]。当前钙钛矿太阳能电池的研究主要围绕三维钙钛矿分子杂合物CH₃NH₃PbI₃展开，主要组成部分包括：作为光吸收材料的有机-无机卤素铅钙钛矿（CH₃NH₃PbI₃）；作为钙钛矿太阳电池的电子传输材料的介孔结构金属氧化物薄膜；钙钛矿成膜的骨架层 （平板异质结结构的钙钛矿太阳电池无介孔薄膜）也由介孔结构的金属氧化物薄膜制备而成；以及空穴传输材料（如spiro－OMeTAD）和作为对电极的金或银电极^[2]。通过研究人员对工艺的不断优化，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经达到了20%左右，且电池的J-V曲线几乎不表现出滞后性^[2]。

目前钙钛矿太阳能电池的研究仍局限于实验室中，要在市场上得到应用，还有一些问题亟需解决。目前实验室制备的太阳能电池仅能达到几毫米大。比晶体硅太阳能电池单电池片的尺寸的几十分之一，尺寸过小，难以大面积制备，这使钙钛矿太阳能电池难以在市场上广泛推广，在日常生活中难以得到较好的应用。并且钙钛矿太阳能电池对氧气非常敏感，会与其发生化学反应进而使晶体结构被破坏；与此同时，最常使用的卤化铅钙钛矿有两个主要缺点：铅的毒性和材料的不稳定性。尽管目前铅钙钛矿被毒性较低的锡类似物所取代，效率也有所提高，但材料的不稳定性一直没有得到很好的解决。由于钙钛矿固有的易受湿气和热影响的性质，在环境压力和湿气的作用下如水蒸气中，钙钛矿材料极易发生分解而使电池性能衰减甚至失效^[3]。因此，制备高质量的钙钛矿薄膜需要严格的合成条件，而且钙钛矿器件在环境中表现出较差的长期稳定性。钙钛矿材料对水分的不稳定性和需要无水的操作环境以及高要求的封装设备仍然制约着钙钛矿作为光吸收层材料的应用。目前，钙钛矿材料稳定性较差这一点已经成为制约其继续发展的瓶颈。

二维有机-无机杂化钙钛矿是具有良好湿度和温度稳定性的替代材料之一。二维钙钛矿容易形成高质量的薄膜，二维层状钙钛矿是在三维钙钛矿的基础上在A位离子中引入大体积的有机官能团形成的，通过选择合适的有机阳离子，将三维系统分层，形成二维钙钛矿，此时金属卤化物八面体层被有机阳离子层分隔开，被疏水性有机层所保护，不被水渗透，可以防止或延缓钙钛矿晶体直接暴露于水分中，显著地提高了钙钛矿薄膜的稳定性。二维层状类钙钛矿杂合物与三维钙钛矿相比，材料和组元的选择更加丰富。

1.2钙钛矿太阳能电池的材料与结构

1.2.1钙钛矿材料的结构

一般而言，钙钛矿是指拥有钙钛矿晶型的物质，化学式为ABX₃，结构如图1.1所示。A离子、B离子与X离子分别位于立方体的8个顶点、体心以及6个面心上。A离子常为CH₃NH₃ 、CH₃CH₂NH₃ 、NH₂CH=NH₂ 等，B位离子多为 Pb² 、Sn² 、Ti⁴ 、Fe³ 等，X离子多为Cl^-、Br^-、I^-、O^2-等。

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