介观钙钛矿太阳能电池中的界面处理研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

随着人类社会发展对能源需求的与日俱增以及传统化石能源的日益减少，未来面临一个很大的挑战就是使用可再生的新能源来代替传统的化石能源。太阳能以其取之不尽，、用之不竭和无污染等特点而受到重视。将太阳能直接转化为工业和生活用电，是最优前景的解决之道。目前，全球范围内硅太阳能电池的总装机容量已经超过10GW，但是其价格昂贵，生产环境代价巨大。。因此，廉价、污染的太阳能电池技术和产品就成了科学家和工程师们寻找的目标。自2009年开始，以有机-/无机钙钛矿材料为基础的新型太阳电池广受瞩目。在短短7年内，其光电转化效率从最初的3%快速提高至22%以上。钙钛矿太阳能电池也因此被《科学》(Science)杂志评为2013年的10大科学突破之一。

2009年，Miyasaka研究组率先通过将薄薄的一层钙钛矿材料(CH₃NH₃PbI₃CH₃NH₃PbBr₃)，当做吸光层应用于染料敏化太阳电池。当时的光电转换率为3.8%。后来研究者对电池进行了改进，转换效率一下翻了一倍。虽然转换效率提高了，但还要面对一个致命问题——钙钛矿中的金属卤化物容易被电池的液体电解质破坏，导致电池稳定性低，寿命短。2012年8月，由Grtzel领导的韩国成均馆大学与洛桑理工学院实验室将2，2’，7，7，‘-tetrakis-(N，N-dimethoxyphenyl-amine)-9，9’-spirobifluorene(spiro-MeOTAD)作为一种固态的空穴传输材料(hole transport materials，HTM)引入太阳电池，使电池效率一下提高到了9.7%，同时也提高了电池稳定性，而且新型的钙钛矿太阳电池比以前用液体电解液时更容易封装。同年，英国牛津大学Snaith小组通过对介孔材料及钙钛矿结构光吸收材料的优选，采用了“介孔超结构杂化太阳电池”，将固态敏化太阳电池的效率提高到了10.9%。无空穴传输材料钙钛矿电池能够进一步简化电池结构，降低成本，有利于提高电池稳定性，是钙钛矿电池重要发展方向。因此，发展高效率的无空穴传输材料的钙钛矿型薄膜太阳电池成为这类新型太阳电池的重要研究方向之一。最近，孟庆波研究组在改进薄膜沉积工艺的基础上，利用界面工程调控界面结构实现了无空穴传输材料钙钛矿电池率先突破10%光电转换效率；在此工作基础上，他们又有效提高了器件的开路电压。韩宏伟课题组通过引入两性分子开发出混合阳离子型钙钛矿材料(5-AVA)x(MA)(1-x)PbI3(碘铅甲胺-5-氨基戊酸)，并将其应用于无空穴传输材料可印刷介观太阳电池中。其特点是在单一导电衬底上通过逐层印刷方式涂覆二氧化钛纳米晶膜、氧化锆绝缘层、碳对电极层，之后填充钙钛矿材料。这一关键技术实现了介观太阳电池低成本和连续生产工艺的完美结合。结果显示这种新材料的应用不仅获得了12.84%的光电转换效率，且器件显示出良好的重复性及稳定性，为目前国际上无空穴传输材料型钙钛矿太阳电池最高效率。这项创新能够极大地减少钙钛矿太阳电池的成本，并且有助于把它推向市场。

基于以上研究发展，本课题着手于制作介孔结构的无空穴传输材料钙钛矿太阳能电池，在制备的介孔结构中填充钙钛矿吸光材料，本课题将采用丝网印刷技术制备太阳能电池的介孔结构，而填充钙钛矿吸光材料采用两步法，先滴加钙钛矿前驱体PbI₂溶液，再滴加MAI溶液，并通过各种技术手段对电池形貌和效率等性能进行表征。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备：制备taa溶液，制备用于丝网印刷的tio₂浆料、zro₂浆料、碳浆料，制备不同浓度梯度的mai溶液和pbi₂溶液等（制备方案细节见技术方案）；

材料表征：对滴入pbi₂前驱体溶液的太阳能电池以及滴入前驱体溶液后滴入mai溶液的电池结构进行表征，并测试太阳能电池成品的效率等数据。通过xrd、tem、sem等表征手段对其形貌结构及结晶特性进行分析。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告；

第3－6周：按照设计方案，用两步法制备介孔结构钙钛矿太阳能电池；

第7－10周：通过xrd、tem、sem及pce测试等表征和性能测试手段对电池结构形貌与效率关系等进行分析；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]. 库治良. 介观太阳能电池对电极的制备及电池性能优化[d]. 华中科技大学, 2014.

[2].徐觅.单基板全固态介观太阳能电池研究[d]. 华中科技大学, 2014.

[3]. 刘佳琦.钙钛矿薄膜的制备及性能表征[d].北京交通大学，2015.

[4] 荣耀光, 梅安意, 刘林峰,等. 全固态介观太阳能电池:从染料敏化到钙钛矿[j]. 化学学报, 2015, 73(3):237-251.