论文总字数：20145字

摘 要

全无机卤化物钙钛矿相较于有机无机杂化钙钛矿材料，具有优异的薄膜热稳定性，这使得它成为钙钛矿领域的研究热点，尤其是全无机钙钛矿太阳能光伏器件。经过近年来的快速发展，其器件性能已经有了巨大的提升。然而在正置结构的器件中存在滞后现象，这影响了器件效率的准确评估，不利于钙钛矿太阳能电池的商业应用。本论文致力于设计一个解决全无机钙钛矿太阳能电池滞后现象的解决办法，并针对实验作出预测和解释。

在论文的第一部分，我们主要对全无机钙钛矿材料的研究背景和晶体结构，以及光伏器件的发展做了简要介绍。到目前位置，研究者们已经开发了大量提升全无机CsPbX₃钙钛矿电池效率和稳定性的研究。本部分还对不同卤化物及配比的钙钛矿材料作出对比，指出所选CsPbI₂Br相对其它常见三种全无机卤化物钙钛矿材料的优势。

在第二章中，我们大量阅读文献后，首先对滞后现象进行分析。得到一些导致滞后现象的直接原因如离子迁移等。然后根据实验和更深层次的理论分析，得到出现滞后现象的根本原因是电荷抽取不平衡。然后我们从离子掺杂和界面工程两大方向总结了已有的实验方案，并分析研究了这些方法的理论可行性。

在论文第三章，我们主要是根据已有的离子掺杂方案，设计了未被广泛研究的铷离子掺杂入钙钛矿的实验方案。根据已有理论预测了可能得到的实验结果，作出理论验证分析。最后我们作出这种方法的可行性分析和展望。

关键词：全无机钙钛矿；太阳能电池；滞后现象；离子掺杂

Abstract

Compared with organic-inorganic hybrid perovskite materials, all-inorganic halide perovskites has become a research hot topic in the field of perovskite with its excellent film thermal stability, especially in all-inorganic perovskite photovoltaic devices. The corresponding device performance has encountered great in recent years . However, the hysteresis phenomenon in conventional devices affect the accurate evaluation of device performance，whichis not conducive to the commercial application of perovskite solar cells. Therefore, this thesis is aimed to summarizea solution to settlethe hysteresis phenomenon of all-inorganic solar cells. as well asmaking predictions and explanations for experiments.

In Section 1,mainly we make research in the background and the strycture of all-inorganic perovskites. Up to now, researchers have developed enormous researches to improve the efficiency and stability of all-inorganic CsPbX₃ perovskite solar cells. In this section, different kinds and ratios of halides in perovskites have been considered, pointing out the advantages of CsPbI₂Br amongother common all-inorganic halide perovskite materials.

In Section 2, after reading plentyliteratures, we first analyze the hysteresis phenomenon. As a result, we figure out some direct reasonabout hysteresis, such as ion migration et al. What’s more, based on experiments and deeper theoretical analysis, we find that the primary reason of the hysteresis isascribed to the unbalanced charge extraction of electrons and holes. Then we summarize the existed experiment approaches according to ion incorporating and interface engineering, and analyze the theoretical feasibility of these methods.

In Section 3, based on the existed ion incorporating approach, we investgated the experimental method about replacing rubidium ion (which has not been widely studied) into perovskite. According to the existed theory, the possible experimental results are predicted, and the theoretical verification and analysis are carried out. Ultimately, we conduct the feasibility analysis and prospect of this promising method.

Keywords：all inorganic perovskite; solar cell; hysteresis; ion doping

目 录

第1章 绪论 1

1.1 前言 1

1.2钙钛矿太阳能电池概述 1

1.2.1全无机钙钛矿材料的组分及晶体结构 1

1.2.2全无机钙钛矿材料的光电性质 2

第2章解决滞后现象的方法总结 7

2.1本体掺杂消除滞后现象 7

2.2 界面工程以消除滞后现象 8

第3章 Rb离子掺杂钙钛矿制备及表征实验 9

3.1实验内容 9

3.2实验步骤 9

3.3测试与表征 10

3.4可能得到的结果及原因 11

第4章总结与展望 12

4.1全文总结 12

4.2展望未来 12

参考文献 13

致 谢 15

第1章 绪论

1.1 前言

1840年工业革命后，科技发展迎来高峰期人口爆炸增长，这也就使得对能源的需求日益提高，大量化石燃料的使用使得环境问题越来越严重，能源问题和环境问题成为制约国家与社会发展的主要因素。全球变暖加重，在无法承受能源用量下降的情况下，这只能通过提高可再生能源在用电量中的比重来实现。所以发展清洁高效稳定的新能源成为研究的重要课题。这不仅具有重大的经济意义，同时对实现地球可持续发展也至关重要。太阳能因为可再生，能量总量大，清洁无污染且分布广等优势变得有竞争力。光伏发电是一种利用太阳能的有效途径，通过借助电子供体和受体材料，太阳能可以相对高效地转化成电能。目前较成熟的是硅基太阳能能电池技术，大规模生产和应用已经实现。但是不断增长的能源需求和低成本追求促使科学界设计寻找合成新材料来达到高效且经济的能量转化途径。这导致太阳能电池出现一代代新的产品，直到第三代钙钛矿太阳能电池的出现。钙钛矿太阳能电池吸光系数较高，还有优秀的双极性特征，更有着原材料价格低廉和制作步骤简单等有利于实际应用的优点，故其研究前景一片光明，有可能成为取代硅基太阳能电池成为能源供给的关键一环。钙钛矿太阳能电池光电转化效率在广大研究员、学者辛勤研究下正不断突破，达到了25.2%的认证值^[1]。最开始热点研究在有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池上，由于钙钛矿结构ABX₃中具有吸湿性和挥发性的有机阳离子组分“A ”，导致其在处于潮湿或者热环境下的薄膜化学稳定性差。本文要研究的全无机钙钛矿太阳能电池因为其具有更好的稳定性，成为近年来新的研究热点。但是器件效率不高，滞后现象严重等问题仍亟需解决。制备高效率无滞后的全无机钙钛矿太阳能电池有利于推动光伏产业的进一步商业化应用。

1.2钙钛矿太阳能电池概述

钙钛矿太阳能电池是一种光伏器件，它以钙钛矿材料作为光活性层。钙钛矿材料具有很强的光吸收效果，并且可以在光照的条件之下产生和传输载流子。同时因为可以采用溶液加工制备，故其可以制备较大面积的光伏器件。与传统多晶硅太阳能电池相比，钙钛矿太阳能电池的吸光系数较大（＞10⁴ cm^-1）^[2]，所以只需要很少的物质就可以制造较高效率的光伏器件。随着不断探索和研究，光电转化效率从最开始的3.8%^[3]飞跃至25.2%^[1],提高约6倍。其中无机钙钛矿由于其优异的热稳定性在近两年得到飞速的发展，CsPbI₂Br无机钙钛矿电池的光电转化效率已达17%^[4]。

1.2.1全无机钙钛矿材料的组分及晶体结构

钙钛矿（perovskite）材料广义上为ABX₃结构的化合物。常见的全无机钙钛矿的化学式是CsBX₃，理想结构是立方相结构，如图1-1所示^[5]，由共享BX₆八面体的角组成。6个卤素阴离子组成规则的正八面体，二价的阳离子B离子处于正八面体正中心，许多这样的八面体共享顶点，这样就构成了三维网状结构。无机的阳离子Cs填充在八面体的空隙中。阳离子半径太大会导致晶体结构发生歪曲变化。所以我们通常考虑通过改变A，B和X离子半径来改变钙钛矿晶体的光电性能，并且带隙也可以通过不同有机阳离子和卤素离子的组合进一步改变，达到我们预期的性能。常见且典型的全无机钙钛矿主要有以下四种：CsPbI₃、CsPbI₂Br、CsPbIBr₂、CsPbBr₃^[6]，除了以上四个，全无机钙钛矿还有无铅的以及其他设计出的衍生结构。例如 Cs₂BX₆（包括 Cs₂SnI₆、Cs₂PbBr₆、Cs₂PbI₆）、Cs₃B₂X₉（包括 Cs₃Sb₂I₉、Rb₃Sb₂I₉、Cs₂Bi₂I₉）和 Cs₂B¹ B³ X₆（包括 Cs₂BiAgCl₆、Cs₂BiAgBr₆）。

图1-1（a）全无机CsBX3钙钛矿的立方相晶体结构；（b）全无机CsBX3钙钛矿的三维空间网络结构；（c）ABX3钙钛矿衍生物的晶体结构示意图。

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