摘 要

本文主要在氟掺杂氧化锡导电玻璃基底上以及在沉积有致密二氧化钛层的FTO导电玻璃基底上制备了纯相的铁酸铋光伏薄膜。分别尝试了以碘化铅甲胺作为一种空穴传输材料和以二氧化钛作为一种电子传输材料单独加入到铁酸铋薄膜中制备成光伏薄膜电池，并对所制备薄膜材料的结构与性能进行了测试。就碘化铅甲胺层和二氧化钛致密层的加入对纯相铁酸铋薄膜光伏性能的影响单独地进行了分析，所得结果对于寻找合适于制备基于铁酸铋薄膜的光伏薄膜电池的空穴传输材料和电子传输材料具有一定的借鉴意义。

论文主要研究了碘化铅甲胺作为空穴传输材料对铁酸铋薄膜光伏性能的影响以及在导电玻璃基底上沉积致密二氧化钛层作为电子传输层对铁酸铋薄膜光伏性能的影响。

研究结果表明：碘化铅甲胺作为空穴传输材料会使得铁酸铋薄膜的开路电压下降，电流密度上升并提高了其在可见光范围内的吸光度，而在玻璃基底上沉积一层致密二氧化钛层对铁酸铋薄膜的开路电压有较为显著提高同时对电流密度也有少量的提高。

本文的特色：尝试了在氟掺杂氧化锡导电玻璃基底上制备铁酸铋薄膜，并将碘化铅甲胺和二氧化钛分别作为空穴传输层和电子传输层，探究其单独对BFO薄膜光伏性能的影响。一般都是将碘化铅甲胺薄膜作为吸收层材料，而关于基于铁酸铋薄膜作为吸收层材料的光伏薄膜材料的研究较少。

关键词：铁酸铋；碘化铅甲胺；二氧化钛；光伏薄膜

Abstract

The major work of this paper is preparing pure phase bismuth ferric thin film on FTO conductive glass substrate and on FTO conductive glass substrate with TiO₂ deposited.As an experiment,photo-voltaic thin film cell which was based on BFO thin film was prepared with CH₃NH₃PbI₃ as HTL and with BFO thin film as ETL individually,the structure and properties of which were also tested.The influence of the addition of CH₃NH₃PbI₃ and TiO₂ were analyzed individually,the results of which has directive significance for finding the appropriate materials to photo-voltaic film based on BFO.

What the paper major studied were the effect of CH₃NH₃PbI₃ as HTL on the photo-voltaic properties of BFO thin film and the effect of dense TiO₂ layer on the photo-voltaic properties of BFO thin film.

The results showed that adding CH₃NH₃PbI₃ as HTL will lead to the decrease of V_oc of BFO thin film ,the increase of J_sc of BFO thin film,and the rising of the absorption under visible light of BFO thin film ,however the deposition of TiO₂ on the conductive glass substrate will improve the V_oc of BFO thin film apparently,and will have a small increase on the J_sc of the BFO thin film at the same time.

The characteristic of this paper is that CH₃NH₃PbI₃ and TiO₂ were added to BFO thin film individually for investing the effect of BFO thin film on its photo-voltaic properties as them adding to the BFO thin film.Generally,CH₃NH₃PbI₃ was used for absorption layer.And there are few researches about the photo-voltaic thin film based on BFO thin film used for absorption layer .

Key Words：bismuth ferrite；lead iodide methylamine；titanium dioxide；photo-voltaic thin film

目 录

第1章 绪论 1

1.1选题背景及意义 1

1.2钙钛矿太阳能电池简介 2

1.2.1钙钛矿太阳能电池的发展与现状 2

1.2.2钙钛矿太阳能电池的结构与基本原理 3

1.2.3钙钛矿太阳能电池的主要性能参数及结构表征测试 5

1.3本文主要研究内容 8

第2章 光伏薄膜的制备 9

2.1实验所用药品及仪器 9

2.2基片的清洗 10

2.3铁酸铋薄膜的制备 10

2.3.1 BFO溶胶配制 11

2.3.2旋涂法制备BFO薄膜 11

2.4碘化铅甲胺层的制备 11

2.4.1溶液的配制 11

2.4.2旋涂法制备CH₃NH₃PbI₃薄膜 11

第3章 结构表征及性能测试结果分析 13

3.1 XRD测试分析 13

3.2 SEM测试分析 15

3.3 J-V曲线测试分析 16

3.4紫外可见吸收光谱分析 18

第4章 结论与展望 19

4.1实验结论 19

4.2展望 19

参考文献 21

致 谢 23

第1章 绪论

1.1选题背景及意义

随着时代进步、科技发展，能源短缺与环境恶化的问题愈来愈严重，这使得我们不得不寻找环保可再生能源用以替代当前的石油、煤炭等污染大，不可再生且面临枯竭的能源。太阳能作为一种分布广泛，用之不竭的能源越来越受到人们的重视。

从1883年Charles Fritts[1]用硒半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结成功制备出了第一块太阳能电池以来，随后人们关于太阳能电池做了大量的研究，研发了许多种类的太阳能电池以及不断改善制备工艺、改善结构、寻找合适的掺杂等使太阳能的转换效率达到了一个相当高的水平：例如单晶硅的效率达25.6%[2]；多晶硅效率达到20.4%[3]；非晶硅薄膜电池效率达到10.1%；化合物薄膜电池（例如砷化镓薄膜太阳能电池）效率达到了28.3%[4]；染料敏化太阳能电池效率达到了11.9%[5]；钙钛矿太阳能电池效率达到20.1%[6]；有机太阳能电池效率达13.2%[7]。尽管它们光电转换效率已经非常高了，但这些传统的太阳能电池材料的发展都已经达到瓶颈了。且或多或少碍于自身材料的特点：例如单晶硅这类材料成本高昂，例如有机太阳能电池它们的原料存在一定的毒性，使得它们在大规模应用上存在一定的限制。因此研究新型的太阳能电池材料还是很有必要的。

在2009年，Choi等人在science上首次报道了铁酸铋（BFO）材料的光伏效应[8]。因铁电材料有着异于半导体的光伏效应，引起了人们的广泛关注。极化了的铁电材料受到光辐射后，产生电子-空穴对，这些电子和空穴在铁电极化的作用下向相反方向分离，是一种体效应[9]。不同于界面效应是在界面处由于能级差的原因进行电子-空穴的分离。人们对BFO这种铁电材料的光伏效应作了大量的研究：Choi等人发现铁电材料的光伏效应与其薄膜极化方向有很大的关系[8]，还发现了单晶BFO作为二极管时极性可变且由其电畴的极化方向决定[10]；Yang等人研究了外电场对Ca掺杂BFO薄膜的电导率的调控行为，Yang、Huang、Gao等人的实验表明BFO开路电压并不是由能隙宽度所决定，而是和畴壁有关，可以通过电畴结构以及浓度来调控光生电流[11-13]；Gao、Yi、Pavana等人研究了氧空位对BFO薄膜光伏效应的影响，结果表明氧空位的浓度及其分布不仅对BFO的禁带宽度有影响，还对光生电流的大小和方向有明显的调控作用[14-16]。而BFO材料作为一种具有体光伏效应的多铁性材料，其开路电压不受其禁带宽度限制的特点以及其成本相对单晶硅要低、相对高分子材料而言无毒等特点使其在太阳能电池应用上具有很好的前景，因此对基于BFO的光伏薄膜制备以及光伏性能的研究具有重要的意义，而选择合适的空穴传输材料和电子传输材料则对提高基于BFO薄膜的光伏薄膜电池的光伏性能有着重要的影响。

1.2钙钛矿太阳能电池简介

1.2.1钙钛矿太阳能电池的发展与现状

钙钛矿太阳能电池最早是从染料敏华太阳能电池中发展来的。在2009年，Miyasaka[17]首次将钙钛矿材料（CH₃NH₃PbX₃，X=I、Br）作为光吸收剂应用到染料敏华太阳能电池中，尽管只获得了3~4 %的能量转换效率（PCE）与当时其它的染料敏化太阳能电池的能量转化效率相差较多，但因其具有较高的开路电压（~0.91V）和较宽的吸收谱（在紫外到可见光范围内）等特点被人们所关注。随之研究人员进行了大量的实验研究以提高这种钙钛矿太阳能电池的稳定性和能量转换效率。2012年，Park[18]等人通过甲胺和碘化铅反应生成了CH₃NH₃PbI₃，并将其沉积在介孔TiO₂上，并采用固态的spiro-MeOTAD作为空穴传输材料旋涂覆盖在钙钛矿薄膜上，获得了超过17mA/cm²的最大短路电流（J_sc），开路电压（V_oc）达到0.88V，填充因子（FF）达到了0.62，能量转换效率（PCE）达到9.7 %；这种采用固态空穴传输层替代液态的染料敏华介质的方法极大地提高了钙钛矿太阳能电池的稳定性。2013年，Buschka[19]等采用连续沉积法，通过将碘甲胺（MAI）和碘化铅（PbI₂）分别溶于不同的溶剂中，先将PbI₂旋涂在TiO₂层上在将其浸入MAI溶液中得到有较好形貌和致密性的CH₃NH₃PbI₃层，获得了15%的能量转换效率。同年，Snaith[20]等人在致密TiO₂层表面均匀旋涂一层CH₃NH₃PbI_3-xCl_x得到了平面异质结结构的太阳能电池，能量转换效率达到了15.4%。2014年5月，Yang[21]课题组通过改善制备条件，优化钙钛矿及其它材料的成膜过程，进一步提高了能量转换效率，达到了19.3%。2015年，Seok[22]研究组用吸收波长更宽的甲醚碘化铅取代了甲胺碘化铅作为光吸收材料，获得了20.1%的能量转换效率。从以上数据可以看出从2009年至今不过18年的时间，钙钛矿太阳能电池的能量转换效率不断取得突破，从最开始的4%到现在的突破了20%。