摘 要

有机无机杂化钙钛矿材料作为直接带隙半导体，具有优异的光电特性，是太阳能电池吸光层十分理想的材料。近年来，钙钛矿太阳能电池的研究非常火热。短短十年时间，钙钛矿太阳能电池器件的认证效率从3.8%快速增长到了24.2%，接近传统晶硅太阳能电池的最高效率，具有广阔的发展前景。然而，钙钛矿薄膜的表面形貌对钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性来说至关重要。钙钛矿薄膜与电子传输层、空穴传输层相接触界面处的缺陷会产生载流子的复合、影响载流子的收集效果，进而影响电池的效率。钙钛矿材料对水、温度特别敏感，为了PSCs的产业化发展，稳定性问题必须攻破。

本文提出了反溶剂浸泡加热后处理钙钛矿薄膜的方法，我们探索了不同反溶剂在不同温度下加热处理对钙钛矿薄膜造成的影响，处理后平均晶粒尺寸略微变大，薄膜缺陷密度减小。我们将疏水性有机分子（正丁胺、4-乙酰吡啶）加入到反溶剂二甲苯中进行加热处理，对钙钛矿薄膜进行表面改性，改性处理后薄膜疏水性加强，老化处理后的钙钛矿能很好维持原来的晶体结构和吸光性能。制备了相应的反式平面异质结钙钛矿太阳能电池，其中，4-乙酰吡啶表面改性可以使电池最高效率从12.12%增加到14.12%，器件的稳定性也得到了提升。

关键词：表面改性；反溶剂加热处理；钙钛矿薄膜；钙钛矿太阳能电池

Abstract

Organic-inorganic hybrid perovskite material, which is a direct bandgap semiconductor with excellent photoelectric properties, is an ideal material as light absorption layer for solar cells. Recent years, perovskite solar cells have attracted much attention of researchers due to its broad development prospects. In just ten years, the certification efficiency of perovskite solar cell devices has rapidly increased from 3.8% to 24.2%, which is close to the highest efficiency of traditional crystalline silicon solar cells. However, the surface morphology of perovskite films is critical to the efficiency and stability of perovskite solar cells. Surface traps of the perovskite films will result in the recombination of carriers, suppress the collection of carries, and reduce the efficiency of the device. Perovskite materials are particularly sensitive to water and temperature, so the stability problem must be overcome in order to promote the industrialization of PSCs.

In this paper, we come up with a method which the perovskite film was treated by soaking in anti-solvent while heating. We explored the influence of heating treatment with different anti-solvent at different temperatures on perovskite thin film. After treatment, the average grain size increased slightly, and the trap density of thin film decreased. We added hydrophobic organic molecules (n-butylamine, 4-acetylpyridine) to the xylene for heating treatment to modify the top surface of the perovskite film. After modification, the waterproofing capability of the film was enhanced, and the perovskite after aging could well maintain the original crystal structure and light absorption performance. Corresponding inverted heterojunction perovskite solar cells were prepared. Among them, the maximum efficiency of surface modificated solar cells with 4-acetylpyridine can increase from 12.12% to 14.12%, and the stability of the device is also improved.

Key Words：Surface modification; Anti-solvent heating treatment; Perovskite film; Perovskite solar cell

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 太阳能电池 1

1.3 钙钛矿薄膜 3

1.3.1 钙钛矿材料的结构 3

1.3.2 钙钛矿材料的性质 4

1.3.3 钙钛矿薄膜的制备方法 5

1.3.4 钙钛矿薄膜的后处理 6

1.4 钙钛矿太阳能电池 8

1.4.1 钙钛矿太阳能电池的原理 8

1.4.2 钙钛矿太阳能电池的结构演变 8

1.5 本文选题依据及研究内容 10

第2章 钙钛矿薄膜的制备及表面改性 11

2.1 引言 11

2.2 实验部分 11

2.2.1 实验试剂与仪器 11

2.2.2 薄膜制备与处理 13

2.2.3 薄膜表征方法 14

2.3 反溶剂和温度的影响 14

2.4 不同修饰分子的影响 20

2.5 本章小结 23

第3章 表面改性薄膜在电池中的应用 24

3.1 实验部分 24

3.1.1 电池器件制备 24

3.1.2 电池表征方法 25

3.2 实验结果与分析 25

3.3 本章小结 28

第4章 总结和展望 29

参考文献 30

致 谢 31

附录1 32

附录2 33

第1章 绪论

1.1 引言

能源在国民经济中举足轻重，伴随着我国经济社会的迅猛进步，环境与能源问题在生活中日益凸显。现在我们使用的大多数能源为石油、煤炭、天然气等化石能源，其中煤炭使用量最多。这些不可再生的化石燃料，形成需经几千万年乃至几亿年，且储存量有限。使用化石燃料还会产生有害的硫化物、氮氧化物、烟尘等，加剧环境污染和温室效应。现有的能源结构有诸多不合理的地方，亟待改变，大力发展新能源是大势所趋。所以人们将目光投向了可持续发展、清洁的可再生能源。

图1.1 全球可再生能源消费量变化图

可再生能源中常见的有太阳能、生物质能、地热能、水能、风能等，《BP世界能源统计年鉴》2018版中得出的全球可再生能源消费量变化情况，如图1.1所示^[1]。2017年，全球可再生能源消费量14.05亿吨油当量，同比增长5.6%^[2]。水电借助机械装置，发展到现在已十分先进，发电量占比一直很高。在现今常见的可再生能源里，太阳能的资源储量是最为丰富的，但消费量却没有水电、风能占比大，因此太阳能有着很大的应用前景。2017年，在中国，非化石能源中太阳能消费增长最快，增长率达到76%。充分利用太阳能资源对中国发展十分重要，太阳能的应用方式有光电利用、光热利用等，作为太阳能应用的主流方式，光伏技术近些年正得到大力地发展，不断发展的光伏发电技术也会使太阳能更加平民化，进而走进千家万户。