论文总字数：17520字

摘 要

能源是当今世界面临的一个巨大问题，持续的消耗石油、矿产等资源，会对地球产生不可估量的影响，应更多地将太阳能当作清洁能源使用。光伏太阳能发电的产生是解决日益严峻的能源和环境问题的有效方法。近年来，新型钙钛矿太阳能电池发展很迅速，已成为太阳能电池的可再生能源领域研究的热点之一。本论文首先介绍了钙钛矿太阳能电池的发展背景、基本结构和工作原理，然后介绍了钙钛矿太阳能电池的制备方法，并讨论了新型钙钛矿太阳能电池的发展方向，最后简要介绍了钙钛矿太阳能电池的优缺点，并分析了发展趋势以及在开发过程中需要解决的问题。

关键词：钙钛矿材料；一步法；转换效率；稳定性；污染性

Progress on Novel Perovskite Solar Cells

Abstract

Energy is a huge problem facing the world today. The continued consumption of oil, minerals and other resources will have an inestimable impact on the earth. Solar energy should be used more as a clean energy source. The generation of photovoltaic solar power is an effective method to solve increasingly serious energy and environmental problems. In recent years, new perovskite solar cells have developed rapidly, and have become one of the hot spots in the field of renewable energy research in solar cells. This paper first introduces the development background, basic structure and working principle of perovskite solar cells are introduced. Then introduced the preparation method of perovskite solar cells, and discussed the development direction of new perovskite solar cells. Finally, the advantages and disadvantages of perovskite solar cells are briefly introduced, and the development trends and problems that need to be solved during the development process are analyzed.

Keywords: Perovskite Material, One-step Method, Conversion Efficiency, Stability, Pollution

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 前言 1

第二章 钙钛矿太阳能电池的基本结构及工作原理 3

2.1 钙钛矿材料的晶体结构 3

2.2 钙钛矿太阳能电池的结构 3

2.3 钙钛矿太阳能电池的工作原理 4

第三章 钙钛矿太阳能电池的制备方法 5

3.1 钙钛矿太阳能电池薄膜的制备 5

3.1.1 一步旋涂法 5

3.1.2 分步液浸法 5

3.1.3 两步旋涂法 6

3.1.4 气相沉积法 6

第四章 钙钛矿太阳能电池的发展方向 7

4.1 提高钙钛矿太阳能电池转换效率 7

4.1.1 降低载流子复合几率 7

4.1.2 改进制备工艺 7

4.1.3 新材料及新结构 9

4.2 提高钙钛矿太阳能电池稳定性 9

4.3 降低钙钛矿太阳能电池的污染性 10

第五章 结语 11

致谢 13

参考文献 14

第一章 前言

随着社会经济水平的快速发展，能源的开发和利用是人类社会生存与发展的重要物质保障，人们日益重视对清洁能源的开发与利用，然而太阳能可以为人类经济社会的发展进步提供不竭的能源动力，是解决当前人类经济社会如何应对清洁能源的危机、如何解决清洁能源对生态环境引起严重污染的问题等。太阳能光伏电池（简称光伏电池，solar cell）主要是通过光电磁场之间的相互效应或光化学反应之间的相互作用直接将电池中的光能转换为电能。钙钛矿太阳能电池在2009年第一次被提出，2012年8月以后，人们对此类新型太阳能电池的技术研究和应用取得了一系列的重大突破^[1-6]，国际社会和学术界对此高度重视。

钙钛矿型染料敏化太阳能染料电池(DSSC)是一种以有机-无机染料复合形成的钙钛矿化合物材料作为主要吸光材料，配合太阳能电子和激光通过空穴进行传输的新型敏化太阳能染料电池^[7]。传统的钙钛矿型吸光材料具有较好的光学敏化特点，制备相对简单，价格相对低廉，消光系数较高等优点，就会很快发展成为一种替代吸光材料的传统钙钛矿型染料。2009年，Kojima等^[8]首次把钙钛矿型染料化合物的引入应用到钙钛矿型染料敏化太阳能电池中，对于基于钙钛矿的液态染料和电解质的所用钙钛矿CH₃NH₃PbBr₃和CH3NH3PbI₃的敏化太阳能电池分别可以获得3.1%和3.8%的光电太阳能转换利用效率，这被广泛认为是钙钛矿型太阳能电池的一个开端。2011年，Yella等^[9]通过控制TiO₂薄膜层的厚度，并通过使用Pb(NO₃)₂修饰，将卤铅铵钙钛矿染料太阳能电池的传输效率大大提高到了12.3%。

针对几乎完全液态的电解质在我国钙钛矿太阳能电池的使用中普遍存在的一些问题，2012年，Kim^[10]通过使用spiro-MeOTAD作为一种固态空穴材料的传输层,采用直接的两步溶液旋涂法成功制备了一种几乎完全固态的电解质钙钛矿太阳能电池，不仅光电转换效率因此达到了9.7%，电池的可靠度和稳定性也因此得到了大幅度的提高。2013年，韩国的Jeon等^[11]通过在FTO衬底材料上旋转喷涂钛酸二异丙醇二乙酰丙酮酯的醇溶液，在400℃下进行热解，获得600nm的电解质TiO₂致密层，组装的钙钛矿太阳能电池的光电转换的效率也达到12.4%。同年，Burschka等^[12]在进一步优化了TiO₂薄膜致密层结构的技术基础上，采用两步溶液法，制得一种高质量的CH₃NH₃PbI₃钙钛矿电池的吸收致密层，其进行光电转换的效率也达到了15%，但是此种共蒸镀溶液法的旋涂共蒸镀工艺可能会直接导致电池表面的涂层覆盖不完全，出现针孔，导致了电池中空穴的传输层与电子的空穴传输层直接发生接触，降低了传输层的开路电压和传输层的填充电阻因子。2013年9月，Liu等^[13]在《Nature》报道了他们使用共蒸镀溶液法的制备生产出了一种高质量的CH₃NH₃PbI_3－xCl_x钙钛矿材料，其进行光电转换的效率已经超过了15%，但是这种光电转换方法由于需要高真空，对于设备的温度要求相对较高且设备能量消耗大。

2014年5月，加利福尼亚大学洛杉矶分校的Yang课题组^[14]在期刊上报道了一种采用先进的气相蒸发辅助法(VASP)技术制备的钙钛矿材料，其中的光电转换技术的效率已经达到了19.3%，他们决定首先用气相溶液法，将PbI₂沉积在覆盖TiO₂的FTO玻璃上，然后在150℃ CH₃NH₃和N₂的气氛中，通过与原位载流子的反应形成了新生长出来的CH₃NH₃PbI₃吸收层，这种蒸发方法制得的钙钛矿吸收层可以具有完美的温度和表面覆盖率、低的表面复合率和粗糙度以及微米数量级的晶粒尺寸，使得载流子在真空输运时可以具有低的温度和表面复合率，并且整个气相蒸发过程对于真空无特殊的温度要求，相比于传统的共蒸发法更加经济环保。

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