摘 要

钙钛矿太阳能电池自2009年被首次提出以来，短短8年时间其光电转换效率迅速增长，从最初的3.8 %光电转换效率至目前已获得超过20 %效率，表现出惊人发展前景，受到科学界广泛关注。钙钛矿太阳能电池主要由透明光电极、电子传输层、光吸收层、空穴传输层和对电极组成，光从透明光电极方向入射，被光吸收层吸收产生光生电子——空穴对，和硅电池通过内建电场不同，在光吸收层中电子空穴是随机扩散，在电子传输层和空穴传输层进行分离，从而达到避免复合，产生光电流效果。

本文以TiO₂电子传输层薄膜作为研究对象，主要通过不同方法制备TiO₂薄膜，以此来探究不同方法制备TiO₂薄膜对钙钛矿太阳能电池性能的影响，最后通过扫描电子显微镜、金相显微镜、紫外——可见光吸收光谱分析以及光电轮廓仪对用不同方法制备的TiO₂薄膜形貌和结构进行表征，对钙钛矿太阳能电池进行I-V测试，最后通过对比TiO₂薄膜形貌和结构表征结果和钙钛矿太阳能电池性能测试结果，达到寻找出钙钛矿太阳能电池中制备TiO₂薄膜的最佳方法的目的。

关键词：钙钛矿太阳能电池；TiO₂薄膜；电子传输层；光电转换效率

Abstract

Perovskite solar cells have been first proposed since 2009. In just eight years, its photoelectric conversion efficiency increased rapidly. From the initial 3.8% photoelectric conversion efficiency to the present has been achieved more than 20% efficiency. It shows a surprising development prospects and gets widespread concern in the scientific community. Perovskite solar cells mainly include transparent electrode, electron transport layer, light absorption layer, hole transport layer and electrode. The light is incident from the transparent photoelectrode and is absorbed by the light absorbing layer to produce a photo-generated electron-hole pair. In perovskite solar cells the electron holes are randomly diffused in the light absorption layer and the electron holes are separated at the electron transport layer and the hole transport layer . So as to avoid the electron hole recombination and produce photocurrent . which is different with the silicon cells through the built-in electric field.

In this paper, TiO₂ film as the research object. We using different methods to prepare TiO₂ film. In order to explore whether different methods of preparing TiO₂ films will affect the performance of perovskite solar cells. Finally, the morphology and structure of TiO₂ films prepared by different methods were characterized by scanning electron microscopy, metallographic microscope, UV-visible absorption spectroscopy and photoelectric profilers and I-V tests were performed on perovskite solar cells. Finally, by comparing the results of TiO₂ film morphology and structural characterization results and the performance test results of perovskite solar cells, we will find the best method for preparing TiO₂ thin films in perovskite solar cells.

Key Words: perovskite solar cell, TiO₂ films, electron transport layer, photoelectric conversion efficiency

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 太阳能电池发展 1

1.2.1 第一代太阳能电池——晶体硅太阳能电池 2

1.2.2 第二代太阳能电池——薄膜太阳能电池 2

1.2.3 第三代太阳能电池——新型太阳能电池 4

1.3 钙钛矿太阳能电池简介 4

1.3.1 钙钛矿材料的结构和性质 4

1.3.2 钙钛矿太阳能电池的发展现状 5

1.3.3 钙钛矿太阳能电池的结构 6

1.3.4 钙钛矿太阳能电池的工作原理 7

1.3.5 钙钛矿太阳能电池的影响因素 8

1.4 TiO₂薄膜对钙钛矿太阳能电池的影响 9

1.5 本文研究的主要内容和目的 9

第二章 实验 10

2.1 实验试剂与仪器 10

2.1.1 实验化学试剂 10

2.1.2 实验主要仪器 11

2.2 FTO导电玻璃清洗 11

2.3 TiO₂薄膜层的制备 12

2.3.1 溶液法制备TiO₂薄膜层 12

2.3.2 喷雾法制备TiO₂薄膜层 12

2.3.3 旋涂法制备TiO₂薄膜层 13

2.4 钙钛矿太阳能电池的制备 13

2.5 TiO2薄膜的形貌、结构表征 14

2.6 钙钛矿太阳能电池的性能测试 15

2.6.1 钙钛矿太阳能电池的基本参数 15

2.6.2 钙钛矿太阳能电池的性能测试方法 15

第三章 样品表征和数据分析处理 16

3.1 金相显微镜 16

3.2 SEM图像分析 17

3.3 光学轮廓仪 20

3.4 UV-Vis图像分析 21

3.5 I-V数据图像分析 21

第四章 结论与展望 25

4.1 结论 25

4.2 展望 25

参考文献 27

致谢 30

第1章 绪论

1.1 引言

人类生存与活动的物质基础——能源，人类生存、社会发展、科技进步都离不开能源，能源利用小到日常生活中照明、取暖，大到宇宙航天、军事科技。能源从不间断支撑着我们生活中的一点一滴。能源的开发利用、与环境友好关系一直以来都是人类最为关心的问题之一。尤其是随着被称为“工业血液”的传统能源——石油，在需求日益剧增，而储量越来越少，所有化石类能源都面临被消耗殆尽的危机。因此开发和探索新的可再生能源势在必行。

新能源的开发和探索已经持续多年，与传统能源有所不同，新能源是一种可再生且污染小的能源。各种形式新能源追根溯源都来自太阳或者地球自身，只是在能量储存形式上发生了改变^[1]。目前开发和利用最多的新能源为太阳能、风能、水能以及核能等。我们目前所利用的化石燃料就是间接来自太阳，每秒钟传递到地球的太阳能能量约为1.465×10¹⁴ J，与500万吨优质煤直接燃烧所产生的能量相当，如果能将如此庞大能量直接利用起来就可以渡过能源危机，由此研究出的太阳能能电池可直接将太阳能转换为电能，能有效转换利用太阳能。最初报道的太阳能电池是由1954年贝尔(Bell)实验室研究人员Chapin、Fuller和Pearson发现光电转换效率为4.5 %单晶硅电池^[2]。从此对太阳能电池的研究和探索在全世界研究员和学者如火如荼地展开。

1.2 太阳能电池发展

随着近年来世界各国对新能源研究和开发重视程度不断加大，投入不断加多，各种新能源技术得到了飞速发展。作为一种没有任何污染而且取之不尽、用之不竭的完美可再生能源，太阳能的开发利用也引起了全世界高度重视^[3]。由此太阳能电池也在近年来出现井喷式发展，各种太阳能电池相继被研究开发问世。太阳能电池从诞生到现在一共经历了不同三个时代。晶体硅太阳能电池是第一代太阳能电池，其中包括单晶硅电池和多晶硅电池^[4]；接着问世的是各种薄膜太阳能电池，也被称为第二代太阳能电池；再就是近年来快速兴起发展的第三代太阳能电池——新型太阳能电池。

1.2.1 第一代太阳能电池——晶体硅太阳能电池

单晶硅电池：单晶硅电池是以纯度高达99.99 %高纯单晶硅为原料，经过一系列加工工艺后制备而成，经过各种包装后单晶硅电池寿命可以达到15年左右，单晶硅电池制备工艺已经非常成熟，其工业化光电装换效率一般为15 %左右，目前在实验室中能制备出最高光电转换效率接近25 %^[5]。单晶硅材料价格昂贵以及制备工艺十分繁琐复，使得单晶硅电池虽然有很高光电转换效率，但是仍然不能大量普及，需要寻找更好更廉价的替代品^[6]。