摘 要

钙钛矿太阳能电池凭借其优异的光电性能，兼有制备工艺简单等优点，受到科研界广泛的关注。在众多研究中，对TiO₂纳米棒掺杂的研究具有重要的意义。掺杂是通过引入其他元素进入二氧化钛的晶格，进而改变二氧化钛的电学性能和光学性能。

本课题选择了无空穴传输层、纳米棒结构、电极选用碳电极的钙钛矿太阳能电池。实验对TiO₂纳米晶材料进行化学元素N的掺杂改性，通过XRD、SEM、电化学阻抗测试等表征方法研究在TiO₂纳米棒阵列中掺杂N对电池性能的影响。结果显示，掺杂降低了TiO₂表面的氧空位缺陷，提高载流子扩散能力，从而使钙钛矿太阳能电池的光电性能的得到一定的提升。

关键词：钙钛矿 太阳能电池 TiO₂纳米棒阵列 N掺杂

A study on the performance of perovskite solar cells based on modified TiO2 nanoparticle array

Abstract

Perovskite solar cells attract people's attention due to good absorbance and charge transfer rate, simple process and low cost. In many studies, the research on the doping of TiO₂ nanoparticles is of great significance. Doping is to change the electrical and optical properties of titanium dioxide by introducing other elements into the lattice of titanium dioxide.

In this paper, we choose the perovskite solar cell with no hole transport layer, nano-rod structure and electrode selection of carbon electrode. Experiment of TiO₂ nanocrystalline materials for chemical elements N doping modification, tested by XRD, SEM and electrochemical impedance characterization methods, such as research on TiO₂ nanorods doped N affect the performance of the battery in the array. The results show that doping reduces the oxygen vacancy defect on the surface of TiO₂, improves the capacity of carrier diffusion.Thus, the photoelectric properties of perovskite solar cells were improved. .

Keywords: perovskite ；solar cell； TiO₂ nano-rod array； N dopin

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1引言 1

1.2钙钛矿太阳能电池概述 2

1.2.1钙钛矿简介 2

1.2.2钙钛矿太阳能电池的工作原理 2

1.3 钙钛矿电池分类 4

1.3.1 介孔结构 4

1.3.2 平面异质结结构 5

1.4 电子传输层介绍 5

1.4.1 电子传输材料 6

1.4.2 一维TiO2纳米棒电子传输层改性介绍 7

1.5钙钛矿太阳能电池的性能评价 8

第二章 实验部分 9

2.1 实验药品 9

2.2实验步骤 9

2.2.1纯TiO2和氮掺杂TiO2纳米棒的合成 9

2.2.2 钙钛矿前驱体溶液（CH₃NH₃PbI_3-xC_lx）的配制 10

2.2.3碳电极浆料的制备 10

2.2.4. 钙钛矿太阳能电池组装 10

2.3实验仪器与表征： 10

第三章 结果与讨论 12

3.1 氮掺杂前后TiO2阵列的形貌图 12

3.2 氮掺杂后TiO2纳米棒阵列的EDS能谱图 13

3.3 氮掺杂前后的TiO2阵列的X射线衍射谱分析 15

3.4 氮掺杂前后TiO2纳米棒阵列的紫外可见吸收光谱图和Tauc曲线 16

3.5 氮掺杂前后的TiO2纳米棒阵列的塔菲尔曲线图谱 17

3.6 器件结构示意图 18

3.7 TiO2纳米棒的钙钛矿太阳能电池的I-V曲线测试 19

3.8电化学阻抗测试 20

第四章 结论 21

参考文献 22

致谢 24

第一章 文献综述

1.1引言

二十世纪以来，人类社会不断地发展进步，能源消耗也是日益地增加，传统的三大化石能源（煤、石油、天然气）的储存以及开采显然已经不能满足目前社会发展的需求，并且这些都是不可再生资源，对其不断地开采，终有竭尽的一天。与此同时，人类在使用这类化石能源的同时，形成了化工“三废”，对环境造成了严重的污染，比如水污染、全球变暖、臭氧层破坏等等，且治理起来极其棘手。因此，寻求开发新型清洁可再生能源是我们的当务之急。

新型能源^[1]种类有很多，但是能被我们利用的主要有风能、太阳能、水利能、潮汐能等，其中对于太阳能利用的前景十分广泛，太阳能是在太阳内部不断发生核聚变反应而释放出的巨大能量，具有成本低廉、取之不尽、绿色无污染等优点。科学家们计算得出，太阳每秒照射到地球表面的能量为4×1025焦耳，若是完全利用，可以节省下1018吨原油，且不会对环境造成污染，更不可思议的是，辐射到地球表面的能量还不到太阳能总量的20亿分之一^[2]。本课题研究的太阳能电池就是一种将太阳能转化为电能的器件。

1839年，科学家A.E.Becqurel通过实验发现光伏效应，他通过将光照在硒上，测量发现不同部位的硒之间存在电势差^[3]。19世纪80年代，Charles Fritts通过在硒半导体上涂覆一层薄的Au金属层制备出第一块太阳能电池，光电转换效率为1％^[4]。1954年，Pearson和Chapin在Bell实验室制备出了单晶硅太阳能电池，为太阳能电池走向工业化奠定了基础^[5]。太阳能技术由此飞速发展起来，目前来说，太阳能电池的发展分别经历了硅基太阳能电池、多元化钛矿太阳能电池、新型太阳能电池。提及硅基太阳能电池，目前这类电池的工艺较为成熟，转化效率能达到25％以上，并且已经实现工业化生产^[6]。第二代是多元化钛矿太阳能电池已经成为了科研领域的研究热点，与之相关论文的发文量和引文量呈现出迅猛增涨的趋势。聚合物薄膜电池，例如碲化镉、硫化镉等，其最高效率能达到20％^[7]，缺点是工艺不成熟，毒性大，污染大。第三代就是新型太阳能电池，典型的有染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池，其特点是工艺相对简单，成本较低。目前全世界的科研人员已经将其效率提高到22％。钙钛矿太阳能电池凭借其优异的光电性能，被称为“光伏领域的新希望”。近年来，研究钙钛矿太阳能电池的热度也是持续升温。

1.2钙钛矿太阳能电池概述

1.2.1钙钛矿简介

有机-无机杂化钙钛矿自1839年Rose发现到1926年其晶体结构被基本明确以来，其被研究和应用于多个领域^[8]。钙钛矿材料满足ABX₃结构，其中Ａ为有机阳离子，比如K,Na,Ca,Cs等，B为金属离子，比如Sn，Pb等过渡金属离子，Ｘ为卤素基团，Cl,Br,I的一种或者是他们的复合^[9]。在该结构中，金属Ｂ原子位于立方晶胞体心处，卤素Ｘ原子位于立方体面心，有机阳离子Ａ位于立方体顶点位置。如图所示。

相关图片展示：