摘 要

钙钛矿太阳能电池具有较宽的吸收光谱、高的载流子迁移率、低成本的前驱体溶液和高的吸光系数，使其成为当前研究热点之一，但是受限于其禁带宽度，传统的钙钛矿太阳能电池不能有效吸收红外区域的光。本文针对钙钛矿太阳能电池只能吸收可见光的一部分（800nm以内），通过水热法制备上转换材料NaYF₄:Er³ ,Yb³ 并将其加入钙钛矿太阳能电池中，从而能够得到可吸收红外光的、效率稳定的钙钛矿太阳能电池。通过在钙钛矿太阳能电池中加入不同含量的上转换材料，探讨加入的上转换材料的含量对钙钛矿太阳能电池性能的影响。首先通过测试所制备上转换材料NaYF₄:Er³ ,Yb³ 的X射线衍射图谱（XRD）和其荧光光谱（PL）研究上转换材料NaYF₄:Er³ ,Yb³ 的上转换发光效果，然后通过太阳能电池的光电转换效率（PCE），研究上转换材料在钙钛矿太阳能电池中的作用以及对钙钛矿太阳能电池性能的影响。在此基础上，通过在钙钛矿太阳能电池中加入不同含量的上转换材料，探讨加入的上转换材料的含量对钙钛矿太阳能电池性能的影响。

研究结果表明：在钙钛矿太阳能电池中加入上转换材料，可以有效的提升其光生电流，从而提升其光电性能，当加入的浓度为3%时，所得到的钙钛矿太阳能电池性能最优。

本文的特色：通过在钙钛矿太阳能电池中加入上转换材料拓宽钙钛矿太阳能电池的吸收光谱使其可以有效的吸收红外光，从而能够提升钙钛矿太阳能电池的性能，对钙钛矿太阳能电池的研究和潜在应用前景等方面都具有十分重要的意义。

关键词：β-NaYF₄:Er³ ,Yb³ ；上转换；纳米颗粒；钙钛矿太阳能电池

Abstract

Perovskite solar cells is one of the current research hot spots because of its wide absorption spectrum,high carrier mobility,low cost precursor solution and high light absorption coefficient.But limited by its bandgap,the traditional perovskite solar cells can not effectively absorb the infrared region of the light.In this paper,the upconversion materials NaYF₄:Er³ , Yb³ were prepared by hydrothermal method and added to the perovskite solar cells to solve the problem that the perovskite solar cells could absorb only a small portion of incident light in the visible spectrum(up to 800nm).By adding different amounts of upconversion materials to the perovskite solar cells,the effect of the upconversion material on the properties of the perovskite solar cells was investigated.The effect of upconversion materials on perovskite solar cells and their effects on the properties of perovskite solar cells was studied by testing the upconversion luminescence effect,fluorescence spectra(PL) of NaYF₄:Er³ ,Yb³ and the solar cell photoelectric conversion efficiency(PCE).On the basis of this,the effect of added content of the upconversion material on the properties of perovskite solar cells was investigated by adding different content of upconversion materials in perovskite solar cells.

The results show that the addition of the upconversion material in the perovskite solar cell can effectively enhance its photogenerated current and improve its photoelectric performance. When the concentration is 3%,the obtained perovskite solar cell has the best performance.

Features of this article:By adding the upconversion material to the perovskite solar cells to broaden the absorption spectrum of the perovskite solar cells so that it can effectively absorb the infrared light,which can enhance the performance of perovskite solar cells.It is very important to the study and potential application prospects of the perovskite solar cells.

Key Words：β-NaYF₄:Er³ ,Yb³ ；upconversion；nanoprism；perovskite solar cell

目 录

第1章 绪论 1

1.1 太阳能电池概述 1

1.2 钙钛矿电池太阳能简介 1

1.3 光谱转换材料简介 2

1.4 本论文的研究内容及意义 3

第2章 钙钛矿太阳能电池的制备与其光电性能的研究 5

2.1 实验材料及仪器 5

2.2 钙钛矿太阳能电池的制备 6

2.3 钙钛矿太阳能电池性能的测试 7

第3章 上转换材料NaYF₄:Er³ ,Yb³ 的制备与研究 9

3.1 上转换材料的组成及制备 9

3.2 上转换材料发光性能表征 10

第4章 NaYF₄:Er³ ,Yb³ 纳米颗粒作为光转换层应用于钙钛矿太阳能电池中的研究 13

4.1 应用不同浓度NaYF₄:Er³ ,Yb³ 纳米颗粒的钙钛矿电池的制备 13

4.2 不同浓度NaYF₄:Er³ ,Yb³ 纳米颗粒的钙钛矿电池光电性能的研究 14

第5章 结论与分析 16

5.1 实验结果与分析 16

5.2 实验中遇到的问题 17

参考文献 19

致 谢 21

第1章 绪论

1.1 太阳能电池概述

太阳能电池，也就是人们常说的“光电池”或者“太阳能芯片”。它是一种光电半导体薄片，能够直接利用大自然中的太阳光来进行发电。当用符合一定照度条件的光照射太阳能电池时，它就可以在一瞬间输出电压并且在提供回路的情况下产生电流^[1]。

概括而言太阳能电池从发明到现在经历了以下三个时代：以单晶硅和多晶硅为主体的第一代太阳能电池，其在实验室达到的最大光电转化效率分别为25%和20.4%^[2];第二代太阳能电池主要是以SiH₄或SiHCl₃为硅原料的硅薄膜太阳能电池，其中包括非晶硅薄膜电池和多晶硅薄膜电池^[3]，这类太阳能电池采用化学气相沉淀法或PECVD (等离子体化学气相沉积法)制备，最高光电转化效率目前已达到的为20.1%；第三代太阳能光电池被称为新概念的太阳能光电池，主要分类有量子点太阳能光电池、染料敏化太阳能光电池和有机太阳能光电池，有比较高的光电转化效率^[4]。

因为在发电的过程中不会产生二氧化碳等温室气体^[5]，也不会污染环境，所以太阳能电池发电是一种环保且可再生的光伏发电方式，同时也被认为是一种解决当代能源问题最有潜力的科学技术。

1.2 钙钛矿电池太阳能简介

由于钙钛矿材料CH₃NH₃PbI₃具有较宽的吸收光谱、高的载流子迁移率、低成本的前驱体溶液和高的吸光系数，使它成为太阳能电池研究领域的热点之一。与传统的晶体硅太阳电池不同，钙钛矿太阳电池具有很高的开路电压，并且制备过程不需要高温，能量损耗也比较低、同时适合于柔性衬底材料等优势，可以同时考虑到效率和成本。2006年，日本科学家Miyasaka等首次使用钙钛矿材料(CH₃NH₃PbBr₃)作为感光材料在太阳能电池中，效率达到2.2%^[6]；2009年，在此基础上，他们使用I原子替代Br原子，得到了效率为3.8%的太阳能电池^[7]。2011年，Park等人优化了CH₃NH₃PbI₃纳米晶粒，将其尺寸做到2.5nm左右，得到了6.5%的光电转化效率^[8]。但是Miyasaka课题组和Park课题组做出来的电池有一个很严重的问题，他们采用液体电解质，电池的稳定性很差。为了解决稳定性的问题，在2012年，Kim课题组使用Spiro-MeOTAD作为固态空穴传输层，得到了9.7%的光电转化效率，并且与液体电解质相比，很好的提升了电池的稳定性^[9]，随后Snaith等人使用介孔Al₂O₃替代n性TiO₂作为电子传输层和支撑钙钛矿的骨架，得到了10.9%的效率^[10]。随着钙钛矿太阳能电池的不断研究，科学家们发现了钙钛矿材料具有双极性^[7]，这使得平面异质结钙钛矿太阳能电池开始受到关注^[11]。2013年Snaith课题组首次使用平面异质结结构制备钙钛矿太阳能电池，得到了15.7%的光电转化效率^[12]。同年，钙钛矿太阳能电池的研究进入了爆发期，Science将其评选为十大科学突破之一，并连续刊登了与钙钛矿太阳能电池有关的2篇研究型文章和一篇评述型文章。