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钙钛矿太阳能电池是一种非常年轻的新型电池,最早是于2009年提出的。日本科学家Miyasaka[4]等人使用溶液法制备太阳能电池的研究为有机和混合光伏设备发展带来了实质性进步。这一进步推动了有机光伏设备的新型电子供体材料(包括聚合物和小分子生色团),和制备染料敏化太阳能电池的新染料和氧化还原介质的合成。尽管取得了这些进步,光伏电池和染料敏化太阳能电池的光电转换效率还是受到了限制,这是由于束缚激子分离或电子转移过程中热力学驱动力发生了损耗。基于钙钛矿材料作为吸收层的太阳能电池可以用来替代那些传统结构。早期工作中使用非常少的MAPbI3来敏化二氧化钛,由此生产出效率较低的器件。但之后,科学家们的不断探索与改进,使得其效率得到大幅度提升。
传统结构钙钛矿太阳能电池的结构图
目前最典型的钙钛矿太阳能电池是基于介孔二氧化钛支架的结构,其结构还包含MAPbI3光吸收层和2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OTAMed)制备的空穴传输层,取得了20%以上的转换效率。在传统的钙钛矿太阳能电池中[8],如图1.2所示,TiO2致密层用作阻挡层或称为ETM（电子传输层）,可运输电子并阻挡空穴,介孔层作为电池的骨架结构,起到支撑作用,兼具电子传输作用。钙钛矿层附着在TiO2介孔层上,作为光转换层,吸收光并转化为电子空穴对。空穴传输层填充在TiO2介孔层的孔洞之内,用来传输产生的空穴。此外,金属电极负责收集空穴,这就是钙钛矿太阳能电池得以工作的原理。
1.4 本课题研究内容及意义
在充分学习了解了传统结构钙钛矿太阳能电池的原理和工作机制的基础上,分析比较不同结构的电池的特点及优劣性。与本课题组的现有实验条件进行比较,尝试找出最适合课题组的电池结构。对所选取的钙钛矿太阳能电池更先进的结构进行实验,以及各个功能层的制备。主要研究为平面型结构钙钛矿太阳能电池的制备和表征,以下是论文的主要内容及成果:
（1）旋涂法制备二氧化钛薄膜:尝试用旋凃法制备二氧化钛薄膜,初期薄膜易开裂。在通过测试SEM得到薄膜表面形貌,不断调整镀膜时间,速度以及退火温度等参数后,薄膜得到了优化。
（2）静电喷射法制备二氧化钛薄膜:对静电喷射所镀的二氧化钛薄膜进行定性观察,确定其粗糙度和透光率上的优势。通过实验描绘出薄膜厚度与镀膜时间之间的关系曲线,为静电喷射镀膜控制薄膜厚度提供了理论参考。并针对不同喷头高度下所镀的二氧化钛薄膜进行了表面形貌的表征,得到了二者之间的联系规律。最终调整参数,使用静电喷射法制备出了平整致密的薄膜。
（3）钙钛矿层的制备和优化:尝试使用一步法以及改进的一步法制备钙钛矿层。得到了改进的一步法制备出的钙钛矿薄膜优于传统一步法的结论。并使用两步法制备钙钛矿薄膜,调整静态镀膜的等待时间,比较了动态镀膜和静态镀膜的区别。得出静态镀膜时的最优等待时间,且由表征结果可得动态镀膜的薄膜质量普遍优于静态镀膜。
（4）完成整个钙钛矿太阳能电池的器件制备,并测试:依次在FTO玻璃上镀二氧化钛薄膜,钙钛矿薄膜,空穴传输层和银电极,并进行I-V曲线测试,分析测试结果及可能原因。
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