摘 要

近年来，太阳能电池的发展十分迅速，其中钙钛矿太阳电池的光电转换效率高达20%，备受瞩目。然而在测量伏安特性的过程中，科学家发现钙钛矿太阳能电池存在一种滞回现象，即从开路向短路条件的扫描效率高于从短路向开路条件的扫描效率，这一点对钙钛矿太阳能电池的光电转换效率的测量造成了影响。

本文先对钙钛矿电池进行介绍，接着提出几种出现滞回现象的可能原因，然后以光电池的经典等效电路为基础，添加了电容支路，期望用一种电容电路模型来解释钙钛矿太阳能电池的滞回现象。使用Proteus软件进行仿真测量，收集好数据后使用Excel制作图表，观察滞回曲线。

研究结果表明了电容模型能够在一定程度上较好地解释滞回现象。进一步理解和解决滞回现象是至关重要的进步,这将有助于改善钙钛矿太阳能电池性能。

关键词：钙钛矿太阳能电池；滞回现象；电容模型

Abstract

In recent years, the development of solar cells very quickly, perovskite solar cell conversion efficiency of up to 20%, highly-anticipated. In measuring current-voltage characteristics in the process, however, scientists discovered the perovskite solar cells, there is a phenomenon of hysteresis, from scanning efficiency higher than that from the short circuit open short circuit condition efficiency to scan for open circuit conditions, this measurement of perovskite solar cell conversion efficiency has had an impact.

This article first introduces the perovskite cell, then presents several possible causes of hysteretic behavior occurs, and then based on the classic equivalent circuit of the battery light, add a capacitor branch, expects to use a capacitor circuit model explain the hysteresis phenomenon of perovskite solar cell. Using Proteus simulation measurement software, after data have been collected using Excle chart to observe hysteresis curve.

Research results show that the model can better explain the hysteresis phenomena to a certain extent. Understanding and resolving the hysteresis is essential for further progress and is likely to lead to a further step improvement in performance.

Key Words：perovskite solar cell；hysteresis；electric capaci

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 太阳能电池的发展 1

1.2 研究背景及国内外研究现状 1

1.3 研究内容及目标 2

1.4 文章的安排及结构 3

第2章 钙钛矿太阳能电池的滞回现象 4

2.1 钙钛矿太阳能电池 4

2.2 引起滞回现象的可能原因 6

第3章 钙钛矿太阳能电池的电容模型 9

3.1太阳能电池的等效电路 9

3.2 钙钛矿太阳能电池的电容模型 10

3.2.1 电容元件 10

3.2.2 电容电路模型 11

第4章 基于Proteus软件的仿真 13

4.1 Proteus软件简介 13

4.2 用Proteus进行仿真 13

4.2.1 选取元器件 13

4.2.2 完成仿真图 15

4.2.3 数据仿真 18

4.3 数据分析 21

第5章 总结与展望 23

参考文献 24

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 太阳能电池的发展

自古以来，人们就十分重视能源的开发与利用。在各种各样的新能源中，太阳能有着清洁无污染的优点，而且可以说是取之不尽用之不竭，这让太阳能在所有能源中脱颖而出。因为这样，太阳能一直受到人们的高度重视。科学家们争相研究各种新型光电材料和光电技术,希望能够把太阳能应用到越来越多的领域中去。尤其是最近几年，随着地球环境的不断恶化以及石油能源的逐渐枯竭，太阳能时代已经慢慢来临。

半导体存在着光伏效应，人们利用半导体的这种光电转换特性，制造出了光电池。它一方面能够当作电源，另一方面能够当作光电检测器件使用。当人们使用它将太阳光的辐射转换成为电能的时候，就被称为太阳能电池。太阳能电池的发展历史十分漫长，也是太阳能应用的重要组成部分。长时间以来，人们通过不断的努力，改进它的材料结构以及核心技术，使其光电转换效率逐渐提高。迄今为止，太阳能电池发展历程基本上可以分为三个阶段。第一个阶段：这个阶段为硅太阳能电池，主要分为单晶硅和多晶硅。单晶硅太阳能电池出现的最早，发展速度也是极快，稳定性较好，然而由于对材料纯度的要求高，造价昂贵，难以大规模使用。多晶硅太阳电池相比于单晶硅，造价便宜了很多，得到了广泛的应用。第二个阶段：这一阶段为薄膜光电池，分为非晶硅薄膜和多晶硅薄膜两种。相比于第一阶段，非晶硅薄膜电池具有成本低，重量轻，工艺简单等优点，能够大面积生产。第三个阶段：在第二阶段的基础上，强调了生产原料丰富、光电转换效率高而且安全无毒的特性。目前这一阶段的电池主要是在制造过程中加入纳米颗粒或者有机物，其中染料光敏化太阳能电池最具有代表性^[1]。

1.2 研究背景及国内外研究现状

21世纪以来，人类面临着巨大的能源与环境危机，在这样的大背景下，作为清洁无污染的可再生能源，太阳能自然备受关注，得到了迅速的发展。其中，作为最早出现的单晶硅太阳能电池，它的技术最为完善，光电转换效率较高，占据着主要的市场。但是受制于单晶硅的生产工艺，单晶硅太阳能电池的成本价格高，且很难降低，而且硅在提纯过程中会对产生各种污染，破坏我们的生存环境，这些都不是我们希望看到的。所以，科学家们都在不断努力，希望能够研制出具有成本低、无污染、效率高等优点的新型太阳能电池来代替硅太阳能电池，使太阳能得到更加广泛的应用。随着科技的不断进步，人们确实研制出来了很多新型太阳能电池。在这些新型太阳能电池中，钙钛矿太阳能电池以其超过20%的光电转换效率成为其中的翘楚，受到了所有科研人员的高度重视，在2013年还被《Science》杂志评选为十大科学突破之一^[2]。

2006年，Akihiro Kojima首先将钙钛矿应用于太阳能电池，其光电转换效率为2%。2009年，横滨大学的Tsutomu Miyasaka尝试使用一层薄薄的钙钛矿当作吸光层应用于染料敏化太阳能电池，当时的光电转换效率为3.8%。2011年，研究者Park对Miyasaka的实验方案进行了改善，电池光电转化效率也增加了一倍达到6.54%。2012年，由Graztel所带领的韩国成均馆大学与洛桑理工学院实验室将一种固态的空穴传输材料（HTM）引入太阳能电池，成功地使电池效率提高到了10%。崭露头角之后，钙钛矿太阳能电池受到了越来越多科学家的关注。就在同一年，牛津大学的Snaith将电池中的二氧化钛用铝材进行了代替，改进以后发现钙钛矿在电池中既可以作为光的吸收层也可以起到传输电荷的作用，测量发现光电转换效率为15%。不久后,加州大学洛杉矶分校的华裔科学家杨阳领导的团队在《Science》期刊上面发表论文称，他们改进了钙钛矿的结构层，实验后发现光电转换效率为19.3%。随后, KRICT研究所将光电转换效率提高至20.1%^[3]。图1.1为钙钛矿太阳电池光电转换效率发展历史曲线^[4]。

图1.1 钙钛矿太阳电池转换效率

虽然钙钛矿太阳能电池的发展时间很短，但是其发展速度却非常快，这是让人们都没有料想到的。相信在不久的将来，钙钛矿太阳能电池必将带领光电产业走向新的巅峰，成为解决新世纪能源危机的重要途径之一^[5]。

1.3 研究内容及目标

一般来说，“光电转换效率”是太阳能电池性能主要评定指标, 即入射单色光子-电子转换效率(monochromatic incident photon-to-electron conversion efficiency， IPCE)，定义为单位时间内外电路中产生的电子数Ne与单位时间内的入射单色光子数Np之比^[6]。实际上它是在一定的电压范围，通过测量外电路的电流，也就是测量光电池的电流-电压曲线来代表稳定条件下的功率输出。通常理论上，光电转换效率与测试前的预光照、起始电压、方向、速度以及每次测量偏压的停滞时间没有关系。但是随着科学家对钙钛矿太阳能电池研究的不断深入,在测试时他们逐渐发现扫描时候的测试条件对钙钛矿太阳能电池的伏安曲线有着很大的影响。例如在测试前(在光照条件下)施加的偏置电压时间、扫描速度、扫描方向等条件都很大程度上影响了电流-电压曲线的扫描结果。所以，按照常规的太阳能电池的光电转换效率测试方法, 钙钛矿太阳能电池的电流-电压曲线会受到测量条件的很大影响, 特别是测量方向，即正向扫描曲线和反向扫描曲线不重合, 这种现象被称为钙钛矿太阳能电池的滞回现象。由于反向扫描条件下的光电转换效率高于正向条件下的转换效率，也就是反向偏压下有多余的电荷收集现象出现，这种情况和电容器件的充电和放电类似，所以期望建立一个电容模型来解释钙钛矿太阳能电池的滞回现象，这也是本文的最终目标。

1.4 文章的安排及结构

面对日益严重的能源及环境危机，人们不得不加快新能源的开发与利用，作为清洁可再生能源的太阳能自然成为人们关注的重点，发展迅速。其中，作为目前太阳能电池中的翘楚，钙钛矿太阳能电池拥有极高的光电转换效率，备受关注。但是在其研究过程中也发现了许多问题，本文以钙钛矿太阳能电池的滞回现象为出发点，着眼于设计一种电容电路模型，来解释反向偏压下多出的收集电荷现象。

第一章绪论从太阳能电池的发展历史出发，介绍了钙钛矿太阳能电池的研究背景以及国内外研究现状，并且阐明了主要的研究内容以及研究目标。