旋涂法制备钙钛矿太阳能电池的研究与优化开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

近年来，随着全球人口日益增长，能源消耗和环境破坏加剧，人类社会可持续发展受到严重威胁。为了自己和子孙后代的未来，人们一直在寻找绿色能源。太阳能是一种环保且可再生的能源，可以通过制备太阳能电池将太阳能转换为电能, 从而有效缓解人们对能源的需求。太阳能电池发展大致经历了三个阶段：第一代太阳能电池研究历史最长久，以单晶硅和多晶硅太阳能电池为主体；第二代太阳能电池通过薄膜制作工艺来制造电池，以非晶硅薄膜太阳能电池和多晶硅薄膜太阳能电池为主体；第三代太阳能电池制作工艺中添加了有机物及纳米科技，如光化学太阳能电池、染料敏化太阳能电池等。前些年，一种钙钛矿结构的有机太阳能电池由于其高光电转换效率、低成本和低能耗而从众多太阳能电池中脱颖而出，迅速成为当下的研究热点之一。钙钛矿太阳能电池是一种新型太阳能电池，在染料敏化太阳能电池基础上演化产生，它的光电转换效率提升地极为迅速，从2009年第一块钙钛矿太阳能电池问世时的3.8%，快速发展至2014年的20.2%，发展前景呈现一片光明。

钙钛矿太阳能电池是一种全固态薄膜电池，它结构中的致密层、介孔层、钙钛矿层都是通过旋涂法来制备，实现过程简便易行。旋涂法是优良的薄膜制备方法之一，使用流程主要有三步：首先要固定样本，并用移液枪将旋涂液均匀滴加到样本表面上，然后经过高速旋转将旋涂液均匀散开到样本表面形成薄膜，最后经过干燥样本后即可得到性能稳定的薄膜。整个过程不仅操作简单、节能环保，而且制备的薄膜厚度均匀，熟练掌握旋涂法有利于制备出高转换效率的钙钛矿太阳能电池。

目前，国内外在研究制备钙钛矿太阳能电池过程中，旋涂法的应用最为广泛，并被不断地改进和创新。程一兵研究组通过使用旋涂dmf（n，n-二甲基甲酰胺）溶液时滴加氯苯的方法，使得钙钛矿快速析出结晶，从而制备出均匀且质量较高的ch3nh3pbi3薄膜，有效地提高了电池转换效率；seok研究组通过使用旋涂gbl（1，4-丁内酯）和dmso（二甲基亚砜）混合溶剂时滴加甲苯的方法，也制备出均匀且质量较高的ch3nh3pbi3薄膜，并取得了16.7%的高转换效率；snaith研究组通过优化氧化钛层的旋涂液，有效地降低了光阳极氧化钛层的退火温度，从而在一定程度上解决了耗能和设备问题，并且取得了15.9%的高转换效率；yang等人先将pbi2的dmf溶液旋涂到tio2上，再将它放入150℃下的ch3nh3i蒸汽中热处理2小时，制备出了覆盖率高达100%且表面均匀的钙钛矿薄膜，开创了溶液法与蒸发法混合的新方法。旋涂法虽然有众多优点，但也有不足的地方，比如难以沉淀大面积、连续的钙钛矿薄膜，这会是我们将要面对的挑战之一。

2. 研究的基本内容与方案

本次设计的基本内容是学习钙钛矿太阳能电池的工作原理，熟练掌握各功能层的旋涂法制备；目标是研究旋涂法制备各功能层时转速、时间等影响因素对各层成膜以及钙钛矿太阳能电池效率的影响，实现钙钛矿太阳能电池的优化设计。

拟采用的技术方案及措施如下：首先是探讨旋涂法制备致密层时转速和时间对成膜及太阳能电池效率的影响，致密层的厚度及形貌对电池的填充因子和效率有一定的影响，通过改变转速和时间可以得到较好的厚度。在参考数据的基准下，保持介孔层、钙钛矿层的旋涂转速及时间不变，改变致密层的旋涂转速，设置4个转速，对比分析并得出最佳转速。在最佳转速下，设置3个时间，得到最佳时间；其次是探讨旋涂法制备介孔层时转速和时间对成膜及太阳能电池效率的影响，介孔层的厚度对电池的短路电流影响不大，但对开路电压影响显著。在上述致密层最佳旋涂转速和时间的基准下，保持钙钛矿层的旋涂转速及时间不变，改变介孔层的旋涂转速，设置4个转速，对比分析并得出最佳转速。在最佳转速下，设置3个时间，得到最佳时间；最后是探讨旋涂法制备钙钛矿层时转速和时间对成膜及太阳能电池效率的影响，钙钛矿覆盖率对开路电压、短路电流和填充因子都有一定的影响。在上述两层最佳旋涂转速和时间基准下，改变钙钛矿层的旋涂转速，设置4个转速，对比分析并得出最佳转速。在最佳转速下，设置3个时间，得到最佳时间。

对比分析旋涂法制备各层时不同转速和时间对成膜及太阳能效率带来的影响，得出规律并借由各层最佳旋涂转速和时间，优化电池效率。

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需仪器和实验步骤。确定方案，完成开题报告。掌握钙钛矿太阳能电池的工作原理，熟悉各功能层的旋涂法制备方法。

第4-6周：研究旋涂法制备致密层时转速和时间对成膜及太阳能电池效率的影响。

第7-9周：研究旋涂法制备介孔层时转速和时间对成膜及太阳能电池效率的影响。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] salim t, sun s, abey, et al. perovskite-based solar cells: impact of morphology anddevice architecture on device performance[j].journal of materials chemistry a,2014, 3(17):8943-8969.

[2] marchioro a,teuscher j,friedrich d.unravelling the mechanismof photoinduced charge transfer processes in lead iodide perovskite solar cells[j].naturephotonics,2014,8(3):250-255.

[3] julian b, norman p, soo-jin m, et al. sequential deposition asa route to high-performance perovskite-sensitized solar cells[j].nature,2013,499 (7458): 316-319.