摘 要

在过去的10年里，钙钛矿太阳能电池经历了快速的发展，显示出作为下一代光伏电池的巨大潜力。钙钛矿太阳能电池结构包括介孔和平板结构，其中平板倒置结构（p-i-n结构）,由于其易于制造、成本低、滞后小等特点，越来越受到人们的重视。但是倒置钙钛矿太阳能电池的稳定性一直是阻碍其发展的重要因素。在本文中，我们对不同空穴传输材料制备的倒置平板电池的稳定性进行深入研究，探究其在不同环境条件下光电转换效率的变化趋势，并对空穴传输层和钙钛矿层分别进行表征，从中筛选出在没有封装的条件下稳定性较优的空穴传输材料。实验表明，在光照或高温高湿条件下，PTAA（聚[双（4-苯基）（2,4,6-三甲基苯基)胺]）空穴传输材料制备的器件稳定性最佳。

关键词：钙钛矿太阳能电池；倒置平板结构；稳定性；空穴传输材料

Abstract

In the past 10 years, perovskite solar cells have experienced rapid development, showing great potential as the next generation of photovoltaic cells. The perovskite solar cell structure includes mesoporous and plate structure. Among them, the plate inverted structure (p-i-n structure) is getting more and more attention, because of its easy to manufacture, low cost,Weak hysteresis effect and other characteristics. But the stability of inverted perovskite solar cells has been an important factor hindering their development. In this paper, we study the stability of invert plate batteries made of different hole transport materials and explore the changing trend of PCE(Photoelectric conversion efficiency) under different environmental conditions. The hole transport layer and perovskite layer were characterized respectively. And we select the hole transport materials with better stability without encapsulation. The experiments show that the stability of PTAA is the best under the condition of light or high temperature and humidity.

Key Words：Perovskite solar cell; Inverted planer structure; Stability; Hole transport material

目录

第1章 绪论 2

1.1引言 2

1.2 钙钛矿材料及其晶体结构 4

1.2.1 晶体结构与组分 4

1.2.2 光学性质 5

1.2.3 电学性质 4

1.3 钙钛矿薄膜制备方法 4

1.3.1 共蒸发法 4

1.3.2 一步溶液法 6

1.3.3 两步溶液法 8

1.4 钙钛矿电池稳定性影响因素 8

1.4.1 电池内部结构对稳定性的影响 8

1.4.2 设备封装 10

1.4.3 钙钛矿薄膜质量 10

1.4.4 紫外线光照 10

1.4.5 电场诱导效应 10

1.4.6 水分稳定 10

1.5 钙钛矿太阳能电池的性能参数 11

第2章 器件制备过程 12

2.1 m-MTDATA 空穴传输层电池的制备 12

2.1.1 钙钛矿前驱体溶液的制备 12

2.1.2 器件的制备 12

2.2 PTAA空穴传输层电池的制备 13

2.2.1 PTAA的合成 13

2.2.2 器件的制备 13

2.3 P3HT空穴传输层电池的制备 14

2.3.1 P3HT溶液的配制 14

2.3.2器件的制备 14

2.4 实验仪器设备 15

第3章 空穴传输层和钙钛矿层性质表征 16

3.1 扫描电镜分析 16

3.1.1 空穴传输层扫描电镜分析 16

3.1.2 钙钛矿层扫描电镜分析 17

3.2 UV测试分析 18

3.2.1空穴传输层透光率分析 18

3.2.2钙钛矿层吸光度分析 19

3.3 XRD测试分析 20

第4章 倒置钙钛矿电池稳定性分析 21

4.1 实验条件内容 21

4.2 25 ℃、85%湿度环境下电池稳定性 21

4.3 85 ℃、50%湿度环境下电池稳定性 22

4.4 85 ℃、25%湿度环境下电池稳定性 22

4.5 模拟太阳光照环境下电池稳定性 23

第5章 总结和展望 25

5.1 总结 25

5.2 展望 25

参考文献 26

致 谢 28

第1章 绪论

1.1引言

太阳能在人类历史上得到了广泛的应用。很久以前，人们就用阳光来晒衣服和食物。通过凹面镜或凸透镜，太阳能也可以用来生火。其基本机理可以用射线光学来解释。如今，商用太阳能热水器仍然是这种应用的延续，将阳光转化为热能。随着光电效应的发现和现代物理学的兴起，光被认为是光子，这为另一种应用指明了方向：将太阳能转化为电能。从那时起，太阳能被认为是最有希望替代不可再生化石能源的可再生能源。太阳能电池是利用太阳能照明发电的设备。第一个太阳能电池是在半导体中发现光伏效应后发明的。到目前为止，硅（Si）、砷化镓（GaAs）、硒化镓铜铟（CIGS）等无机半导体太阳能电池的功率转换效率均达到20%以上，使太阳能电池技术实现商业化。用太阳能代替化石能源的关键是降低发电价格。这也是低成本发展光伏技术的动力。

从20世纪90年代开始，染料敏化太阳能电池（DSSCs）已经被证明有潜力满足低成本和易于制造的要求。经过几十年的努力，DSSCs的光电转化效率（PCE）已经超过10%^[1]。2009年，Miyasaka和同事采用有机金属三卤代钙钛矿作为液体电解质DSSC的敏化剂，展示了第一种PCE为3.8%的钙钛矿太阳能电池（PSC）。这开启了钙钛矿材料在光伏技术中的应用。两年后，通过优化钙钛矿的成膜和沉积工艺，钙钛矿的PCE提高到6.5%。2012年，PSCs取得了重大进展^[2]。采用钙钛矿作为固相介孔结构太阳能电池的吸光剂，同时采用2,2',7,7'-四[N,N-di（4-甲氧基苯基）氨基]-9,9'-螺双氟烯（spiro-OMeTAD）代替液体电解质作为空穴选择性接触层，固态的PSCs的PCE接近10%。^[3]这些结果震惊了光伏界，引发了PSCs的效率竞赛。经过大约4年的发展，PSCs的PCE已经超过20%，接近商业化太阳能电池的PCE^[4]。

传统的PSCs采用固态介孔结构制备源自于介孔DSSCs。介孔半导体金属氧化物支架被认为可以在大多数层中收集产生的电荷。之后发现，没有介孔半导体支架的PSCs仍然可以工作，虽然PCE要低得多。有机金属三卤钙钛矿可形成致密的光活性层，传递平面异质结结构。这种平面异质结钙钛矿太阳能电池具有与传统薄膜太阳能电池相似的多层堆叠结构，如有机光伏（OPVs）、CIGS太阳能电池等。研究人员还注意到，在CH₃NH₃PbI₃薄膜中载流子扩散长度可以达到100纳米，在CH₃NH₃PbI_3-xCl_x薄膜中可以达到1微米^[5]。这保证了钙钛矿薄膜中电荷的高效传输，为后续开发高效平面异质结钙钛矿太阳能电池奠定了基础。