论文总字数：16136字

目 录

第一章 概 述 1

1.1前言 1

1.2钙钛矿太阳能电池 2

1.2.1钙钛矿材料 2

1.2.2钙钛矿太阳能电池的基本构造 2

1.2.3两种典型的钙钛矿太阳能电池的结构 3

1.2.4钙钛矿太阳能电池的工作机理 4

1.2.5钙钛矿太阳能电池的制备 4

1.2.6钙钛矿太阳能电池的发展过程 5

1.3空穴传输材料（HTMs） 6

1.3.1无机类 6

1.3.2有机类 6

1.4本文研究的主要内容 8

第二章 实验部分 8

2.1 实验仪器和化学试剂 8

2.1.1 实验仪器 8

2.1.2 化学试剂 9

2.2合成HTMs 9

2.2.1合成路线 9

2.2.2实验步骤 9

2.3器件的制备 10

第三章 结果与分析 11

3.1HTM A的结构表征 11

3.2光谱性能表征 12

3.3光伏性能测试 13

3.4工艺重现性 14

第四章 结论与展望 14

4.1结论 14

4.2展望 14

参考文献 16

致谢 18

含有低成本空穴传输材料的钙钛矿太阳

能电池的制作工艺初探

范雨亭

, China

Abstract:This paper briefly introduced the development process and preparation process of perovskite solar cells.A novel triphenylamine small molecule hole-transporting material was studied and synthesized.Its structure was characterized by ¹H NMR and was consistent with the target product.Applied to the preparation of perovskite solar cells.In this experiment,by comparing with the conventional Spiro-OMeTAD (spirodioxime),the UV-Vis spectrum and the current density-voltage (J-V) curve of the device were measured to study its photoelectric performance. The experiment proved that the synthesized triphenylamine small molecule cavity The transmission material process is simple and inexpensive,and the photoelectric conversion efficiency of the device is measured as high as 13.99%. The open circuit voltage is 1.02V.

KeyWords:triphenylamine;hole transport material;perovskite solar cells;photoelectric conversion efficiency

第一章 概 述

1.1前言

自从进入工业时代，人类开始大规模的开采和利用煤、石油、天然气等化石能源，它促进了我们社会经济的快速发展，但同时它也造成了我们人类生存环境的破坏。在这些化石能源燃烧的过程中，会产生NO、NO₂、SO₂、CO等有毒有害的气体^[1]，危害我们的健康，随着社会人口基数越来越大，人类对能源的需求量也会越来越大，有限的化石燃料将不能满足人类社会发展，能源短缺问题将逐步向我们逼近^[2]，所以，开发一种新型的清洁、环保、可再生能源迫在眉睫。

在第21届联合国气候变化大会中195个国家达成统一意见，一致同意通过 《巴黎协定》，争取全球平均气温升高控制在2℃以内，在发电等领域增大可再生资源的份额，欧盟争取煤发电占36%，天然气发电15%，人均煤消耗0.5吨。因此，为了实现地球的可持续发展，人类社会应大力开发可再生资源，如水利水电、风能、生物能、潮汐能、地热能和太阳能等。提到能源，我们不得不说，太阳能是最为理想的，它基本上不受地区的限制且清洁无污染^[2]，如果能有效地收集太阳能，将可提供约23000太瓦的电力，对太阳能的利用主要有两种转换方式，一种是光电转换，一种是光热转换，其中太阳能电池是光伏转换的基础设备，只需要借助电子给体（n型）和电子受体（p型）材料^[3]，太阳能就可转化为电能，是最有效的利用太阳能的方式之一。

最早的有实用价值的太阳能电池，使用单晶硅材料制成的。这种单晶硅电池从20世纪50年代诞生至今，能量转换效率已达到25%，虽然经历了60多年的研发努力，但是由于制作过程中成本非常之高，进行大规模的商业化应用几乎是不可能的。2000年前后，科学家们就开始了新型太阳能电池的设计，并提出其基本要求，包括材料应该由地壳高丰度元素组成、环境友好、工艺简单易于放大、效率高而耗能低等，于是林林总总的新型太阳能电池相继产生，研究较广泛的有染料敏化电池、量子点电池、有机太阳能电池等等^[4]，这些新型太阳能电池虽然提供了很好的研究平台，但光电转化效率增长太慢，甚至裹足不前，如此，钙钛矿太阳能电池便诞生了。

1.2钙钛矿太阳能电池

1.2.1钙钛矿材料

钙钛矿是令人惊叹的材料，它已经成为光伏行业的一场变革。一般来说，我们口中所说的钙钛矿材料，可以用ABX₃来表示（如图1-1所示），A代表短链的有机胺离子，也可以是碱金属离子^[31]，B代表铅、锡、锗金属元素，X代表卤素离子，钙钛矿是一种有机-无机杂化型的材料，含有[BX₆]正八面体的基本结构单元^[5]，这种材料的优势在于，即使用低成本的溶液旋涂法，制成的膜的质量依然很高，并且结晶度也非常好。钙钛矿材料是直接带隙半导体，不但具有良好的吸光性，而且还具有非常优异的电子空穴传输特性，通常制备的钙钛矿膜其电子、空穴的扩散长度就可以达到几百纳米，这使得钙钛矿材料不再只应用于多孔二氧化钛结构型的太阳能电池，而且还能够应用于简单的平面结构^[6]，进一步来说，这些优异的性质都是由于材料的特殊电子结构和键合形式所致，即使在制备器件的过程中存在缺陷，也只属于良性缺陷，能够最大限度地减小对器件的负面影响。

图1-1 钙钛矿晶体结构式^[3]

1.2.2钙钛矿太阳能电池的基本构造

钙钛矿太阳能电池主要由导电玻璃基底、电子传输层（包括致密层和介孔层)、钙钛矿层、空穴传输层（HTM）和背电极组成^[2]（如图1-2所示）。

导电玻璃层一般为ITO玻璃或FTO玻璃，只要求能够导电和透光即可；致密层一般选择TiO₂致密层，通过喷雾热解法形成^[7]，阻挡导电玻璃层中的电子与HTM层中的空穴发生复合，避免短路。根据沉积工艺和器件结构不同，厚度差别也很大，从早期的120-160nm到后来的80nm左右，现在已经有人做到40nm以下；介孔层一般也选择TiO₂，用来固定染料分子；钙钛矿光吸收层及光敏层接受光照激发产生光电子，通常选用甲胺、甲咪等有机金属卤化物或者不同金属卤化物的杂化物^[8]，后来的研究发现，该光敏层同时具有电子传输功能；空穴传输层，通常选用Spiro-OMeTAD和PTAA（聚三芳基胺）材料，用来代替传统染料敏化电池中的电解液，捕获空穴；背电极一般选用Ag或者Au^[2]，在染料敏化电池结构中相当于对电极。

图1-2 电池器件结构^[2]

1.2.3两种典型的钙钛矿太阳能电池的结构

(1)介观结构

在介观结构（如图1-3所示）中，钙钛矿渗入中孔金属氧化物支架。该支架可以是n型TiO₂或不接受电子的绝缘介质氧化物，例如Al₂O₃，在FTO涂覆的玻璃基底上，存在非常薄且紧密的TiO₂层（约20-50nm）作为空穴阻挡层，然后是约100-300nm的用钙钛矿渗透的中孔TiO₂支架，最后约100-300nm的与金或银金属电极直接接触的有机或无机HTM，HTM的厚度对高效电荷提取起着重要作用，它可以取决于加工技术和HTM的类型，在这种结构中,TiO₂起到支撑和传输电子的作用^[9]。

(2)平面异质结结构

介孔支架层的存在有助于在大面积上形成均匀的膜，从而形成低欧姆电阻的结，并且还起到电子传递剂的作用，然而，钙钛矿的双极特性导致了根本不使用介孔支架层的想法（如图1-4所示），并且使用平面异质结构造，而不需要对中孔TiO₂层进行高温加热处理，在平面钙钛矿太阳能电池中，其器件结构与介观结构相类似，不同的是，介孔支架被完全去除，钙钛矿层通过真空蒸发或旋转涂层的方式与致密的TiO₂直接接触，然后沉积空穴传输层和金属电极。钙钛矿太阳能电池的另一个新兴结构是倒置的平面结构，其器件组成一般为：导电玻璃层/HTM层/钙钛矿层/电子传输层/背电极^[9]，其中钙钛矿薄膜通过底部FTO电极收集孔沉积在电子阻挡层上。

图1-3 介观结构电池的制备^[3]

图1-4 平面异质结结构电池的制备^[3]

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