摘 要

本论文利用四水乙酸镍和乙酰丙酮镍这两种前驱体，研究了旋涂法和喷雾热解法制备纳米NiO薄膜，并组装反式钙钛矿太阳能电池（PVSC）。

对于旋涂法，本文将四水合乙酸镍溶于N,N-二甲基乙醇胺中，调整溶液浓度及转速得到薄膜厚度约为30 nm。旋涂时环境湿度为70%时薄膜的晶粒较为致密和均一。将其组装成反式PVSC得到的器件的最高效率达到10.37%且只伴随微弱的迟滞。

实验中还采用乙酰丙酮镍的乙腈溶液用于喷雾热解法，调整喷枪气压、喷嘴与基板距离得到致密的NiO薄膜，得到的薄膜组装的器件最佳效率仅为5.02%，主要是NiO与钙钛矿层之间的接触较差所致。

此外，乙氧基化聚乙烯亚胺引入到PC₆₁BM与Au之间，器件填充因子有明显的提高。若同时还将钙钛矿层按照(FAPbI₃)_0.85(MAPbBr₃)_0.15进行掺杂，器件短路电流有一定程度的提升但填充因子无明显变化，器件效率有所提高。

关键词：NiO；反式钙钛矿太阳能电池；湿度；旋涂法；喷雾热解法

Abstract

In this thesis we utilized nickel acetate tetrahydrate and nickel acetylacetonate as precursors, and chose spin-coating and spray pyrolysis respectively to form NiO thin films which were later used to fabricate inverted perovskite solar cells (PVSC).

For the spin-coating method, nickel acetate tetrahydrate was dissolved in N,N-dimethylethanolamine. The concentration of the solution and spin-coating speed were adjusted to obtain films with thickness of about 30 nm. During the spin-coating process, the grains of NiO film were dense and homogenous when humid was 70%. The corresponding inverted PVSC demonstrated the highest photoelectric conversion efficiency of 10.37% with moderate hysteresis.

Moreover, by adjusting the pressure, distance between nozzle and substrate and spraying frequency, acetonitrile solution of nickel acetylacetonate resulted in dense films with spray pyrolysis method. Due to the poor contact between the perovskite layer and the NiO, the best efficiency only reached 5.02% by spraying 15 times,

Furthermore, PEIE was introduced between PC₆₁BM and Au layers, combined with (FAPbI₃)_0.85(MAPbBr₃)_0.15 as active perovskite layer, both fill factor and short circuit current of the devices were improved.

Key Words: NiO; Inverted Perovskite Solar Cells; Humid; Spin-coating; Spray Pyrolysis

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 基于NiO的反式PVSC国内外研究现状 3

1.3 基于NiO的反式钙钛矿太阳能电池光电转化原理 4

1.3.1 NiO晶体结构及性能 4

1.3.2 反式结构钙钛矿太阳能电池工作原理 5

1.4 钙钛矿太阳能电池的等效电路及性能参数 6

1.4.1 等效电路 6

1.4.2 PVSC的主要性能参数 7

1.5 研究的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施 8

1.5.1 基本内容 8

1.5.2 研究目标 8

1.5.3 技术方案 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 11

2.2 实验制备 11

2.2.1 实验准备工作 11

2.2.2 实验材料的制备 12

2.2.3 钙钛矿太阳能电池的组装 13

2.3 器件性能测试 13

2.3.1 I-V测试 13

2.3.2 膜厚测试 14

2.3.3 SEM测试 14

2.3.4 XRD测试 14

第3章 结果与讨论 15

3.1 旋涂法中不同浓度及不同转速对膜厚影响 15

3.2 湿度对旋涂法制备NiO薄膜的影响 16

3.2.1 不同湿度对旋涂法制备的NiO薄膜的成膜质量影响 16

3.2.1 不同湿度下旋涂法制备的NiO薄膜对器件性能的影响 18

3.3.2 最佳湿度下制备的NiO薄膜组装器件的稳定性及迟滞 21

3.2.3 溶液中加入水对成膜性能的影响 24

3.3 喷雾热解法制备NiO薄膜用于组装反式PVSC 26

3.4 钙钛矿掺杂及PC₆₁BM层表面改性对器件效率的影 28

第4章 结论与展望 31

4.1 结论 31

4.2 展望 31

参考文献 32

致谢 35

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着社会的发展能源的需求量逐渐增大，其中化石能源的消耗量占据了很大的比例。但是化石能源是非可再生资源且大量化石能源的使用导致的污染以及温室效应等使得全球气候发生变化，对人类以及动植物的生存造成了很大程度的影响。太阳能作为一种清洁、可再生的能源对于优化能源结构、促进可持续发展以及减少环境污染等有着十分重大的意义，因此对太阳能高效合理地利用是值得深入研究的课题。世界光伏累计安装量呈现逐年增加的趋势，其中超过80%的是第一代晶体硅太阳能电池。其它的第二代薄膜太阳能电池中主要为非晶硅薄膜太阳能电池和碲化镉/硫化镉薄膜太阳能电池。虽然第一代晶体硅太阳能电池工艺成熟，光电转换效率高，但高成本及复杂工艺使其大规模的应用受到了限制。二代的薄膜太阳能电池效率不够高，制造过程中需要稀有元素并且含有的镉等元素会严重污染环境。自从1991 年瑞士联邦理工大学Grätzel 教授首次报道染料敏化太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cell, DSSC）以来^[1]，以DSSC 为代表的第三代太阳能电池因为结构明晰、工艺简洁、原料来源丰富等优点为受到了广泛关注与研究。

最近几年，基于有机金属卤化物的钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PVSC）因其在短短几年间内效率迅速提升受到了很大的关注。PVSC由染料敏化太阳能电池发展而来，2009年Miyasaka等首先采用TiO₂介孔结构，并使用钙钛矿结构的CH₃NH₃PbI₃和CH₃NH₃PbBr₃作为DSSC中的染料使得器件效率达到3.8%^[2]。但是该种电池存在一个很严重的问题，即液态电解质会使钙钛矿材料分解从而使其在很短时间内就失效。在2012年，Park 和Grätzel等课题组将固态空穴传输材料Spiro-OMeTAD引入到PVSC的制备中来提高稳定性^[3]。尽管随后介孔结构的PVSC有很多重要的突破，最高效率已超过20%^[4]，但是制备TiO₂介孔层需要很高的退火温度，这无疑增加了制备电池的能耗，提高了生产的成本。