摘 要

由于能源危机和环境污染的影响，太阳能电池的发展如星星之火般迅速燎原。如今，钙钛矿太阳能电池作为第三代太阳能电池，由于其具有效率高、生产方便、成本低廉等众多优点，获得了科学界和企业界的青睐。钙钛矿太阳能电池是在染料敏化太阳能电池的基础上发展起来的，其中钙钛矿层作为钙钛矿太阳能电池的关键材料起着尤为重要的作用。因此，本文从钙钛矿层制备的两个方面来探究钙钛矿层对钙钛矿太阳能电池性能表征的影响。

本文中的钙钛矿层采用两步旋涂法来制备，即先旋涂PbI₂前驱体溶液，再浸泡于CH₃NH₃I和异丙醇的混合溶液中，由此可以看出，前驱体溶液的种类和CH₃NH₃I溶液的浓度对钙钛矿太阳能电池的性能有着重要影响。正是基于此，本文从这两个方面入手来讨论优化钙钛矿太阳能电池的制备：1）以前驱体溶液种类为变量，讨论PbI₂溶液和PbCl₂溶液对钙钛矿太阳能电池性能表征的影响，同时考虑到铅元素对环境污染的程度，加入SnI₂溶液为对比，探究三种溶液中最优的前驱体溶液。2）以CH₃NH₃I溶液的浓度为变量，讨论探究制备钙钛矿太阳能电池的最佳浓度。最后得到的结果是，以PbI₂溶液为前驱体溶液，与浓度为30mg/mL的CH₃NH₃I溶液反应，制备得到的钙钛矿太阳能电池效率最高，可达到6.082%。

关键词：钙钛矿层；前驱体溶液；PbI₂；CH₃NH₃I溶液浓度

Abstract

Due to the influence of energy crisis and environmental pollution, solar cell have been developing rapidly, as the saying goes, sparks of fire can start a prairie fire. Today, as the third generation solar cells, perovskite solar cell, because of its high efficiency, convenient production, low cost, etc. won the favor of scientific community and the business community. Perovskite solar cell is developed on the base of dye sensitized solar cells, the perovskite layer as the key material of perovskite solar cell plays a particularly important role. Therefore, in order to explore the effects of the perovskite layer of perovskite solar cell characterization, this paper prepare from the two aspects of the perovskite layer.

In this paper, perovskite layer use two step spin coating method to prepare, namely the first spin coated PbI₂ precursor solution, then soaked in the mixed solution of CH₃NH₃I and isopropyl alcohol, it can be seen that the precursor solution type and concentration of CH₃NH₃I solution affects the performance of perovskite solar cell. Based on this, this article from the two aspects to discuss the optimization of perovskite solar cell preparation: 1)the types of the precursor solutions are variables, discussing the effect of PbI₂ solution and PbCl₂ solution on properties of perovskite solar cells, in the mean time, taking into account of the pollution of lead to environmental, adding SnI₂ solution for comparison, inquiry three kinds of precursor solution of optimal solution. 2)the concentration of CH₃NH₃I is variable, discussing the best concentration for preparing perovskite solar cells. The final results obtained, using PbI₂ solution as the precursor solution, with the concentration of CH₃NH₃I 30mg/mL solution react, the highest efficiency of the perovskite solar cell can be achieved, which can reach 6.082%.

Key Words：the perovskite layer；the precursor solution；PbI₂ solution；the concentration of CH₃NH₃I

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 钙钛矿太阳能电池的背景介绍及工作原理 1

1.3 钙钛矿太阳能电池的发展 1

1.4 钙钛矿太阳能电池的性能表征 2

1.5 本文钙钛矿太阳能电池的主要研究内容 4

第2 章 前驱体溶液种类对钙钛矿太阳能电池性能表现的影响 6

2.1 引言 6

2.2 实验准备介绍 6

2.2.1 实验药品及试剂 6

2.2.2 实验仪器 7

2.2.3 导电基底 7

2.2.4 实验条件 8

2.3 钙钛矿太阳能电池的制备 8

2.3.1 溶液的配制 8

2.3.2 钙钛矿太阳能电池的制备 8

2.4 钙钛矿太阳能电池的性能结果及讨论 10

2.5 本章小结 12

第3章 不同CH₃NH₃I溶液浓度对钙钛矿太阳能电池性能表现的影响 13

3.1 引言 13

3.2 实验准备介绍 13

3.3 钙钛矿太阳能电池的制备 13

3.3.1 溶液的配制 13

3.3.2 钙钛矿太阳能电池的制备 14

3.4 钙钛矿太阳能电池的性能结果及讨论 14

3.5 本章小结 15

第4章 结论 17

参考文献 19

附 录 20

致 谢 38

第1章 绪论

1.1 引言

近年来，科学界开始向充分利用太阳能进军，其中太阳能电池经过了三代发展，钙钛矿太阳能电池已经逐渐成为传统硅电池和染料敏化太阳能电池的最有希望的替代品。

1.2 钙钛矿太阳能电池的背景介绍及工作原理

随着科学技术的纯熟发展，环境保护工作却没有跟上，环境污染日益严重，同时能源危机也越来越威胁到人类的生存，人们将眼光投向了养育地球的太阳能，太阳能电池便是其中的应用之一。

通过光电效应或者光化学反应，太阳能电池可以直接把光能转化成电能。钙钛矿太阳能电池是在染料敏化太阳能电池的基础上发展起来的，其结构主要包括光阳极、光吸收材料、空穴传输材料和对电极，其中以有机无机杂化的钙钛矿材料作为光吸收层更是起着尤为重要的作用。如今，钙钛矿材料已经发展出了多种制备方法，常见的有一步法、两步法、蒸发法及溶液-气相沉积法^[1]。一步法是目前最常见的方法，制备的电池效率最高有19.3%^[1]。以CH₃NH₃PbX₃为例，将PbX₂与CH₃NH₃X以一定比例搅拌至澄清再沉积，随后进行热处理即形成钙钛矿薄膜。两步法在2013年首次使用就取得了15.0%的效率^[1]，即将PbI₂旋涂在介孔TiO₂表面，再浸泡于CH₃NH₃I的异丙醇混合溶液中，从而反应生成CH₃NH₃PbI₃。与一步法对比，PbI₂的涂覆性能在两步法中得到充分发挥，能够大大减少TiO₂裸露，提高电池性能^[1]。

对于钙钛矿太阳能电池的工作原理，目前科学界还存在争议。普遍认可的一种说法是，入射光照射到光吸收材料，即钙钛矿层后，如果光子的能量大于钙钛矿层的禁带宽度，将会被吸收，并激发钙钛矿层的价带电子至导带，同时留下空穴。若钙钛矿层的导带能级大于电子传输层的能级，电子传输层的导带就可以吸收来自钙钛矿层的导带电子，并再将其传输至光阳极和外电路。若钙钛矿层的价带能级小于空穴传输层的能级，空穴传输层就会吸收来自钙钛矿层的空穴，并再将其传输至对电极及外电路^[2]。

1.3 钙钛矿太阳能电池的发展

世界上最早开始钙钛矿太阳能电池研究的是日本科学家Kojima，首次出现时即实现了3.8%的效率^[2]。随后几年钙钛矿太阳能电池开始迅猛发展，全世界的科学家纷纷跟进，对钙钛矿太阳能电池展开了大量研究与改进。2011年，研究者将效率提高了一倍，达到6.54%^[3]。2012年，韩国首创引入一种固态空穴传输材料（hole transport materials，HTM），不仅将效率增加到10%，同时解决了电池的稳定性问题。2014年，韩国的KRICT研究所已将效率提高到20.2%。国内研究同行中，中科院的孟庆波教授使用两步法制备钙钛矿薄膜，转换效率达到了10.49%。华中科技大学的韩宏伟教授也进行了研究，将有机空穴传输材料和Au电极用C电极来替代，转换效率达到了10.64%^[1]-[5]。