基于元素直接反应的钙钛矿太阳能电池结构及器件性能研究

摘要

对于钙钛矿太阳能电池来说，深入了解材料的性能(本征晶体结构，材料的掺杂)和太阳能电池器件工作机理(电子和空穴的传输模式，载流子动力学和光伏性能)之间的关系是钙钛矿太阳能电池重要的研究方向之一。在保持较高的电池转换效率的同时，简化制备工艺和降低电池成本是提升钙钛矿太阳能电池应用前景的重要途径。通过掺杂钙钛矿界面与金属接触的优化设计能研究钙钛矿材料的本征特性、摆脱使用空穴传输层、简化钙钛矿太阳能电池制备工艺和得到较高光伏性能，同时也是研究光伏电池器件工作机理的一种非常有效的手段。在本文中，我们报道一种在 ITO基底上利用简单的一步旋涂法原位制备出具有独特结构的铜掺杂钙钛矿(CH3NH3)1-xCuxPbI3材料。我们首先结合TEM和XPS技术证明了铜元素掺杂在钙钛矿结构中。这个掺杂的现象被证明可能是发生在用于制膜的旋涂过程中，且在该过程中可能原位形成了具有梯度铜铅比的掺杂薄膜。此外，我们设计和制造了一系列反式的无空穴传输层结构ITO/(CH3NH3)1-xCuxPbI3/ PCBM/ Ag器件。通过对这些器件光电性能的初步测试，获得了令人满意的高达15.84％的光电转换效率，这是目前无空穴传输层结构钙钛矿太阳能电池所表现出的优异转换效率。通过分析瞬态光电压(TPV)和KPFM数据，由于合适的费米能级调制作用，铜掺杂的钙钛矿薄膜中光生载流子分离速度加快，同时与 ITO界面处的电荷复合减少。同时发现铜掺杂钙钛矿薄膜中可能存在一个从(CH3NH3)1-xCuxPbI3表面指向ITO电极的内建电场，并且薄膜内部合适的费米能级对促进空穴的收集和传输起到了关键性作用。该方法除了有效地降低了制造成本，还提供了一种新的原位掺杂的研究方向，即通过调整钙钛矿材料(CH3NH3)1-xCuxPbI3的能带结构改善其在ITO一侧收集空穴的能力。针对钙钛矿太阳能电池的组装和系统设计，本文提供了一种钙钛矿太阳能电池新的组装方法，对输配电系统不便利条件下的用户用电问题进行了家用光伏发电系统的设计，包括蓄电池容量的计算、控制器的选择、逆变器的选择等。经过测试，钙钛矿太阳能电池器件的性能得到了相应的验证，也为以后的家用光伏发电系统提供了新的思路。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 本文的主要贡献与创新

第二章 实验涉及的仪器、试剂及表征手段

2.1 实验涉及的设备和仪器

2.2 实验涉及的试剂

2.3 表征方式

2.4 本章小结

第三章 铜掺杂的高性能无空穴传输层钙钛矿太阳能电池

3.1 前言

3.2 准备工作与碘化亚铜薄膜的制备与表征

3.3 铜掺杂钙钛矿薄膜的制备与表征

3.4 铜掺杂钙钛矿薄膜的光电性能研究

3.5 无空穴传输层结构钙钛矿光伏器件的制作、测试、优化与稳定性

3.6 本章小结

第四章 家用光伏发电系统的设计

4.1 钙钛矿太阳能电池应用

4.2 家用光伏发电系统设计

4.3 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果