摘 要

随着社会的快速发展，人类对能源的需求越来越大，传统能源的短缺告急，人们开始大力发展新能源。作为新能源代表的太阳能，其研究非常火热，太阳能电池中的钙钛矿太阳能电池目前发展十分迅速。

本文主要研究了钙钛矿太阳能电池I位替代对电池转换效率、开路电压、短路电流、稳定性的影响，通过在钙钛矿材料中掺杂溴，来测量各个参数的变化，研究如何提高电池的转换效率和稳定性。最终得到的结论有：在溴的掺杂量十分小的时候，Br:I为1:14、1:12、1:10时，钙钛矿太阳能电池的转换效率不会下降。为1:4时，电池的稳定性和转换效率都有不错的表现，但随着溴的掺杂比例提高，电池的转换效率和短路会不断下降，而电池的稳定性和开路电压会随着溴的掺杂比例增大而提高。对钙钛矿太阳能电池进行微量掺杂溴，既能一定程度上提高电池的稳定性，又能保证电池的转换效率不下降，这点很有研究价值。

关键词：钙钛矿；掺杂；转换效率；稳定性

Abstract

With the rapid development of society,human demand for energy is growing, The shortage of traditional energy, people began to vigorously develop new energy. As a new energy representative of solar energy, its research is very hot, the perovskite solar cells in solar cells are currently developing very rapidly.

This paper mainly studies the effect of I-bit substitution of perovskite solar cells on battery conversion efficiency, open circuit voltage, short circuit current and stability. By studying the variation of the parameters in the perovskite material, we study how to improve the conversion efficiency and stability of the battery. The final conclusion is that the conversion efficiency of perovskite solar cells does not decrease when Br: I is 1: 14, 1: 12, 1: 10 when the doping amount of bromine is very small, The conversion efficiency and short circuit of the battery will be declining. The ratio of 1: 4, the battery stability and conversion efficiency has a good performance ,the stability of the battery and the open circuit voltage will increase with the increase of the bromine doping ratio. The perovskite solar cells for micro-doped bromine, both to a certain extent, improve the stability of the battery, but also to ensure that the battery conversion efficiency does not decline, which is of great research value.

Key Words：Perovskite；doping；conversion efficiency；stability

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 课题研究内容 2

第2章 钙钛矿太阳能电池原理 3

2.1 电池基本结构和工作原理 3

2.2 电池各层介绍 3

2.2.1玻璃基底 3

2.2.2 电子传输层 4

2.2.3 钙钛矿层 5

2.2.4 空穴传输层 6

2.2.5 电极 6

2.3 钙钛矿电池的优点 7

2.4 碘位掺杂 7

第3章 钙钛矿太阳能电池制备与测试 9

3.1 电池制备过程 9

3.2 电池测试与数据处理 10

3.3 实验结果分析 11

3.3.1 掺杂与不掺杂 11

3.3.2 不同浓度掺杂 11

3.3.3 电池的稳定性 13

第4章 结论 15

参考文献 16

致谢 18

第1章 绪论

1.1 课题背景和意义

随着人类社会的快速发展和进步，特别是工业革命后，人们能源的需求是越来越大，电能可以说是应用最为广泛的能源。目前全球主流的发电方式有化石燃料、核能、水力发电这三种，而化石燃料和核能发电污染大、资源消耗大、危险系数，水力发电又受地理位置限制，所以全世界都在研究清洁无污染可再生的发电方式，其中，太阳能是研究的热点。太阳能作为清洁新能源，又是可再生能源，而且太阳能还能正常运作几十亿年。如何开发和利用太阳能，是个很重要的问题。太阳能电池至19世纪被发明以来，发展非常迅猛。太阳能电池的光电转换效率在不断提高，太阳能应用的场景越来越多，被广泛使用。但是要使使太阳能成为主要能源之一，目前仍存在很多棘手的问题，比如太阳能电池的原材料成本较高、制备过程复杂、能耗大、污染严重、转换效率低等问题。要降低太阳能电池的成本，从电池的研发角度主要通过两种方法来解决： 一是降低目前太阳能电池的生产制造成本；二是提高太阳能电池的转换效率，使电池有较高的性价比。

第一代太阳能电池是硅太阳能电池，发展非常早，其发展也最为全面，应用场景非常广泛，但因为硅太阳能电池必须采用价格很昂贵的高纯度硅，加上制作工艺复杂，严重制约了硅基太阳能电池的发展，使其不能大规模应用。薄膜太阳能电池作为第二代太阳能电池，其技术因为比硅基太阳能电池更先进，柔光性强，还可以做成各种形状，发展也非常迅猛，但薄膜太阳能电池的制造成本高、环境污染大、稀缺元素难获得等问题制约了薄膜太阳能电池的大规模应用。近年来，以钙钛矿太阳能电池为代表的第三代太阳能电池发展迅猛，钙钛矿太阳能电池成本低、制备简单，且最重要的是钙钛矿电池的转换效率越来越高，目前已经超越了硅电池，但钙钛矿太阳能电池仍存在很多问题，比如稳定性差、难以大规模生产等，因此，如何进一步提高钙钛矿太阳能电池转换效率、提高稳定性、方便规模生产是钙钛矿太阳能电池目前主要研究方向。钙钛矿太阳能电池的每个部分都有科学家在研究，钙钛矿太阳能电池取得了飞速发展，其中一个热门研究点是钙钛矿太阳能电池I位替代，就是在钙钛矿材料（CH₃NH₃PbI₃）中掺杂Br和Cl元素，掺杂Br和Cl后，钙钛矿太阳能电池很多性能参数会发生改变，比如开路电压、短路电流、光电转换效率、稳定性等。

1.2 国内外研究现状

第一片钙钛矿太阳能电池是由Kojima研究组在2009年制备的，但因为采用了液态电.解液，电解液容易挥发，而且电解液还能与钙钛矿材料发生反应，导致这块电池的稳定性很低，光电转换效率也只有3.81%^[1]。在2012年，英国Lee研究组通过在钙钛矿中掺杂Cl元素来替代部分的I元素，使钙钛矿太阳能电池效率提高到了10.9%^[2]。在2015年初，韩国的Seok研究组将CH₃NH₃PbI₃和CH₃NH₃PbBr₃这2种钙钛矿材料进行混合配制，达到了20.1%^[3]的光电转换效率。同年，Bi研究组在制备钙钛矿材料时加入MABr、PbI₂、PbBr₂、FAI制备出的电池转换效率提高达20.8%^[4]。在今年4月份，澳大利亚国立大学宣称该校科学家首次实现了钙钛矿太阳能电池的光电转化率超过26％^[5]，这一研究成果可以使太阳能电池发电的成本大大降低，太阳能电池的应用领域将变得更加广泛。在国内前段时间，中国科学院大连化学物理研究所的刘生忠教授带领的研究组，采用固态离子液体作为钙钛矿电池的电子传输层材料，制备出转换效率达到16.09%^[6]的柔.性钙钛矿电池，突破了目前柔性器件的最高效率。目前钙钛矿太阳能电池的研究在飞速突破，相信其将很快走出实验室，得到大规模应用

1.3 课题研究内容

虽然钙钛矿太阳能电池发展的非常快，但目前依然存在许多问题需要研究，比如最重要的两个关键问题：增强电池的稳定性、提高转换效率。本课题的主要研究内容是对钙钛矿太阳能电池的钙钛矿层（CH₃NH₃PbI₃）进行I位替代，在钙钛矿材料中加入不同量的PbBr₂，使用模拟光源进行测试，研究掺杂溴后钙钛矿电池的性能参数的变化，如转换效率、开路电压、短路电流、稳定性等。通过这些参数的变化，来找到提高钙钛矿太阳能电池的转换效率和稳定性的合适掺杂比例。

第2章 钙钛矿太阳能电池原理

2.1 电池基本结构和工作原理

传统的钙钛矿太阳能电池的结构如图2.1a所示，钙钛矿太阳能电池主要由FTO玻璃、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、金属电极这几部分组成。

图2.1 （a）钙钛矿太阳能电池结构 （b）工作原理^[7]