摘 要

本文主要研究了不同成膜工艺对钙钛矿太阳能电池中FAPbI₃薄膜的形貌和最后制备出的电池性能的影响。本实验分别在DMF溶剂-吹气法，DMF/DMSO溶剂-吹气法，DMF溶剂-反溶剂法，DMF/DMSO溶剂-反溶剂法四种工艺下，制备了FAPbI₃薄膜，并通过XRD，SEM等技术对膜的成分与形貌进行表征，发现在DMF溶剂-反溶剂法的工艺下，FAPbI₃薄膜中含有纯钙钛矿相，晶粒生长规则且较为致密。然后分别在这四种工艺下制备了电池，并得到了电池的性能参数，最后通过对比，得出了制备FAPbI₃型钙钛矿电池的最佳成膜工艺。

通过对不同工艺下得到的膜的质量以及最后电池性能的对比，本文得出了以下结论：在制备FAPbI₃型钙钛矿太阳能电池时，反溶剂法要优于吹气法；用DMF溶剂-反溶剂法制备电池可以明显提高电池的短路电流，用DMF/DMSO溶剂-反溶剂法可以提高电池的开路电压，但是综合而言，在前一种工艺下得到的电池整体效率水平（9.51 %）高于后者（7.70%）；在DMF溶剂-反溶剂法的工艺下，可以得到致密、均一的FAPbI₃薄膜，并获得最高的电池效率（10.44%）。

关键词：钙钛矿太阳能电池；FAPbI₃薄膜；反溶剂法

Abstract

Four deposition methods, gas-assisted process with DMF as solvent, gas-assisted process with DMF and DMSO mixtural solvent, anti-solvent process with DMF as solvent and anti-solvent process with DMF and DMSO mixtural solvent, were used to fabricate FAPbI₃ films which were then characterized by scanning electron microscopy and X-ray diffraction. We found pure perovskite phase and grain growth was compact and regular in FAPbI₃ films under the anti-solvent process with DMF as solvent. FAPbI₃-based PSCs were produced under four conditions and performance parameters of cells were obtained.

After comparing the performances of FAPbI₃ films and FAPbI₃-based PSCs, this work came to the following conclusions: Firstly, anti-solvent process outperformed gas-assisted process when fabricating FAPbI₃-based PSCs. Next, by using anti-solvent method, the short-circuit current density of cells could be apparently improved with DMF as solvent and the open-circuit voltage of cells could be improved with DMF and DMSO mixtural solvent. However, the average efficiency (9.51%) of cells fabricated by the former method outnumbered that (7.70%) of the latter one. Finally, dense and uniform FAPbI₃ films could be fabricated by anti-solvent process with DMF as solvent and correspondently, the best power conversion efficiency (10.44%) was achieved.

Key words: Perovskite solar cells; FAPbI₃ films; anti-solvent method

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施 4

1.2.1 研究的基本内容 4

1.2.2 研究的目标 4

1.2.3 采用的技术方案 4

1.3 钙钛矿太阳能电池相关原理 5

1.3.1 钙钛矿太阳能电池工作原理 5

1.3.2 FAPbI₃钙钛矿结构原理 6

1.3.3 FAPbI₃钙钛矿成膜结晶原理 6

1.3.4 成膜工艺原理 7

1.4 钙钛矿太阳能电池的性能参数 8

1.4.1 开路电压(Voc) 8

1.4.2 短路电流(Jsc) 8

1.4.3 填充因子(ff) 8

1.4.4 光电转换效率(η) 8

第2章 实验 10

2.1 实验耗材与仪器 10

2.1.1 实验试剂与材料 10

2.1.2 实验仪器设备 10

2.2 实验制备 11

2.2.1 实验准备工作 11

2.2.2 实验制备过程 11

2.3 I-V测试 12

2.4 XRD测试 12

2.5 SEM测试 13

2.6 UV-Vis测试 13

第3章 结果与讨论 15

3.1 不同工艺下FAPbI₃薄膜的表征对比与分析 15

3.1.1 XRD分析 15

3.1.2 SEM分析 17

3.1.3 紫外-可见吸收光谱分析 19

3.2 不同工艺下电池性能的对比与分析 20

3.2.1 吹气法与反溶剂法对电池性能影响的对比 20

3.2.2 两种钙钛矿前躯体溶剂对电池性能影响的对比 21

第4章 结论 24

参考文献 25

致 谢 27

第1章 绪论

1.1 研究背景

日渐增长的能源需求与人们对全球变暖问题的关注，一直激励着人们探索与发展清洁、廉价、可再生的新能源。风能、潮汐能、核能、太阳能等一系列的新能源一直得到了人们广泛的关注，其中来源丰富、可持续使用的太阳能更是成为了研究热点，因为它可以进行光电、光热、光化转换，而且在地球上可被应用范围广，最重要的是它在被开发利用时，一般不会产生公害和污染。电能是一种需求广泛、易于控制的能量形式，因此人们对太阳能电池投入了大量的研究。太阳能电池现在已经被应用在很多领域，具体为：用户型太阳能电源，家庭灯具电源，太阳能建筑，光伏电站，通讯、通信领域，石油、海洋、气象领域，交通领域等。目前存在的太阳能电池主要有：硅系太阳能电池，化合物薄膜太阳能电池，有机薄膜太阳能电池，染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池等。一直以来，人们对太阳能电池的研究集中在基于硅半导体的太阳能电池。硅太阳能电池虽然效率高，但是制备工艺复杂，材料昂贵，对环境的污染大^[1]，影响着太阳能电池的进一步发展。

人们一直在寻找着生产成本比硅太阳能电池更低的新型太阳能电池。有机太阳能电池、染料敏化太阳能电池、量子点太阳能电池都因为拥有较低的制备成本引起了大家的关注。其中，染料敏化太阳能电池早在1991^[2]年被O^，Regan和Grätzel两位科学家提出，并在之后的20年里得到了极大的关注与发展。虽然，目前它的效率已达到13%^[3]，但是由于它的结构中含有液态电解质，因此存在着电解质泄漏和液态电解质易变质的问题，而不适合被应用于大规模生产。1998年^[4]，通过用固态空穴传输材料代替传统的液态电解质的固态-染料敏化太阳能电池被首次提出，提高了染料敏化太阳能电池的稳定性。2009年，有机金属卤化物钙钛矿MAPbBr₃和MAPbI₃被首次用于传统的液态电解质染料敏化太阳能电池，并分别得到了3.13%和3.81%的效率^[5]，然而这种电池的稳定性仍然不高。一直到2012年，Grätzel^[6]等人和Snaith^[7]等人分别把CH₃NH₃PbI₃(MAPbI₃)和CH₃NH₃PbI₂Cl(MAPbI₂Cl)作为吸光层，应用到固态染料敏化太阳能电池中，并得到了效率分别为9.7%和7.6%的具有长时间稳定性的电池，真正拉开了全固态-钙钛矿型太阳能电池的序幕。2013年，在Nature杂志上发表的两篇文章将钙钛矿太阳能电池的研究水平提升到了一个新的高度。首先，科学家通过顺序沉积法制备MAPbI₃薄膜，并将之应用在FTO/bl-TiO₂/mp-TiO₂/MAPbI₃/spiro-OMeTAD/Au结构的电池中，得到了效率为15%的电池^[8]。然后，Snaith和同事通过真空沉积法制备了高质量的MAPbI_3-xCl_x薄膜，并将之应用在平板异质结结构中，得到了效率高达15.4%的电池^[9]。Seok和同事用PTAA作为空穴传输层代替spiro-OMeTAD得到了结构为FTO/bl-TiO₂/mp-TiO₂/MAPbI₃/PTAA/Au，效率为12%的电池^[10]。在这个基础上，人们不断地从结构、材料、成膜工艺等方面研究全固态-有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池，这让它在短时间内取得了飞速的进展，目前它的最高效率已经高达20%以上^[11]。