摘 要

无空穴钙钛矿太阳能电池属于有机金属杂化钙钛矿电池，常规的钙钛矿太阳能电池的结构是FTO导电玻璃，电子传输层，钙钛矿功能层，空穴传输层，电极。由于现在主流钙钛矿电池的空穴传输层使用的材料是Spiro-MeOTAD，该材料制作成本高，比黄金还高出10倍，无法达到商业价值，而且钙钛矿功能层能够起到空穴传输的作用，所以无空穴钙钛矿太阳能电池成为重点研究对象。相比于标准的太阳能电池，无空穴构造简单、制备简便、有稳定性等优点，展现了它的未来发展前景。

论文主要从制备方法和结构两个方面来对无空穴太阳能电池性能进行探究。制备方法讨论了传统两步法和改良两步法来对电池性能的影响，结构方面讨论了平面结构和介孔结构对电池性能的影响。从转换效率、开路电压、短路电流密度和填充因子等几个方面来分析电池的性能。

研究结果表明：介孔结构电池性能比平面结构性能更优，两步法中加入反溶剂制备的电池可以获得更好的性能。

本文的特色：通过比较钙钛矿太阳能电池结构和制备方法得到了制备无空穴钙钛矿太阳能电池最优方案。

关键词：太阳能电池，无空穴传输层，平面，介孔，两步法。

Abstract

HTL-free PSCs is a kind if organometallic lead hybrid perovskite solar cell. Most of the PSCs employ sandwiched architecture of FTO / electron transporting layer (ETL) / perovskite absorber / hole transporting layer (HTL) / back contact. Because the current material of mainstream hole transporting layer is spiro-MeOTAD, whose cost is so high, ten times as expensive as gold, that is not reach the commercial value. And perovskite absorber can transport hole, so HTL-free PSCs becomes a main research object. Compare to standard solar cell, HTL-free has the advantages of simple structure, easy preparation and strong stability and so on, which show fantastic development potential.

This paper mainly discuss that based on two aspect of preparation method and architecture study the performance of HTL-free PSCs. Preparation method have traditional two-step method and improved two-step method to study the performance of HTL-free PSCs. Planar architecture and meso-porous architecture study the performance of HTL-free PSCs. Using parameters of transfer efficiency,open circuit voltage, short circuit current density and fill factor study the performance of HTL-free PSCs.

The results show that the performance of meso-porous architecture is better than Planar architecture, the performance of improved two-step method is better than traditional two-step method.

The characteristic of this paper is that compare to structure and preparation method of PSCs conclude the optimal plan.

Key Words：solar cell；HTL-free；Planar；meso-porous；two-step method

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 钙钛矿太阳能电池发展 1

1.3 本论文主要研究内容 2

第2章 钙钛矿太阳能电池原理 3

2.1 钙钛矿太阳能电池的概况 3

2.1.1 钙钛矿材料的晶格结构 3

2.1.2 钙钛矿太阳能电池基本原理 4

2.1.3 常规钙钛矿太阳能电池结构 4

2.1.4 无HTM钙钛矿太阳能电池结构 6

2.2 钙钛矿吸收层的制备方法 6

2.2.1 溶液法 7

2.2.2 气相法 8

2.2.3 气相辅助溶液法 8

2.3 钙钛矿太阳能电池的性能参数 9

2.4 本章小结 10

第3章 无HTM钙钛矿太阳能电池的制备和探究 11

3.1 实验方案 11

3.2 实验设备及试剂 11

3.3 实验部分 12

3.3.1 FTO的刻蚀和清洗 12

3.3.2 TiO₂致密层的制备 13

3.3.3 TiO₂介孔层的制备 13

3.3.4 钙钛矿吸收层的制备 14

3.3.5 碳电极的印刷 14

3.4 实验结果及分析 15

3.4.1 形貌表征 15

3.4.2 J-V曲线测试 16

3.4.3 影响电池性能的主要因素 20

第4章 结论和展望 21

参考文献 22

致 谢 23

第1章 绪论

1.1 研究背景

自工业革命之后，人类越发地意识到能源的重要性.从第一次工业革命开始到现在第四次工业革命，人类都离不开能源的支持，而且人类对能源的需求越来越高,它是推动着人类社会的进步的必要因素。但是现阶段的能源主要是不可再生能源,无法可持续的使用,如果这些能源枯竭了将导致人类的子孙后代陷入无能源可用的境地,而且现如今的能源占最大比例的依然是煤炭,石油等化石能源。这些能源会产生过多的碳排放形成温室效应，而且这些能源中还存在有毒元素，经过燃烧形成有毒的气体给环境带来严重的污染。因此要想改变目前的状况则需要进行新能源革新,大力发展可持续能源是未来人类社会关注的方向,比如太阳能,水能,风能等等。

其中太阳能是一种绿色能源，不过除了能进行光合作用的植物，人类不能直接加以利用，则需要将它转换成另一种形态的能源存储起来，电是第二次工业革命留下并具备完备的理论体系的产物，所以将太阳能转换成电能是一种重要的思路。光电转换技术在新能源领域得到了普遍的关注,可以解决一部分能源问题。相对于晶体硅基太阳电池等传统的己经实现商业化的太阳电池,目前最受研究者关注的太阳电池就是新兴的有机太阳电池、染料敏化太阳电池、量子点太阳电池、铜锌锡硫薄膜^[1]太阳电池和钙钛矿太阳电池。本论文主要研究的是无空穴钙钛矿太阳能电池。

1.2 钙钛矿太阳能电池发展

钙钛矿太阳能电池的发展可以追溯到2009年，人们将钙钛矿型化合物甲胺铅碘和甲胺铅溴加入到染料敏化电池，开发了新型的太阳能电池。第一次制作出来的电池光电转换效率比较低，光电转换效率不到百分之四。两年后。甲胺铅碘被应用到量子点敏化太阳电池，突破了百分之六的光电转换效率。不过这种器件的效率的稳定性不高，容易在短时间内衰减，因为甲胺铅碘会与水和空气发生分解反应，所以在液态电解液中很容易分解。2012年，韩国Park小组转化以往采用液态电解质作为空穴传输层的思路，采用固态电解质来代替它。解决了甲胺铅碘在液态电解液中易分解的问题，器件的稳定性大大提高，同时光电转换效率接近百分之十。英国的Smith小组利用多孔A1₂O₃代替多孔TiO₂，效率提高了1%。在这项工作中，即使使用绝缘的多孔A1₂O₃代替半导体材料TiO₂，器件依然能够工作，表明钙钛矿太阳电池与染料敏化太阳电池的工作机理应存在差异。2011年，瑞士的Graztel小组运用连续沉积法制备钙钛矿太阳电池，实现15%的光电转换效率。同年，英国的Smith小组报道了共蒸发法制备的钙钛矿太阳电池，光电转换效率提高百分之十五。由于钙钛矿电池仅仅用了几年的时间就达到了如此迅猛的发展，得到了许多关注，所以研究人员纷纷朝着这个方向发展。2014年美国的Yang小组利用界面工程优化器件的各个界面，实现了光电转换效率为19.3%钙钛矿太阳电池。2015年，韩国Seok^[2]小组和美国能源国家实验室对钙钛矿电池各个功能层进行优化，提高制备方法，将电池的效率突破了百分之二十，这是一个里程碑的效率，已经非常接近如今效率最高的单晶硅太阳能电池。下面是钙钛矿太阳电池历年来的光电转换效率发展趋势图，如图1.1所示。