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钙钛矿太阳能电池基本原理和制备方法2.1基本原理钙钛矿太阳能电池作为一种新出现的太阳能电池，其电池结构目前主要有两种，第一种是由染料敏化太阳能电池演化而来的“敏化”结构，此结构与染料敏化太阳能电池极为相似，具有高吸光性的钙钛矿材料作为光敏化剂，其层状结构的每一层物质依次为透明导电玻璃、ZnO或TiO2致密层、钙钛矿敏化的多孔TiO2或Al2O3层、空穴传输层（HTMs）、金属电极，结构图如图2.1左。
第二种是平面异质结薄膜结构，其层状结构每一层物质依次为透明导电玻璃、ZnO或TiO2致密层、钙钛矿层、空穴传输层（HTMs）、金属电极，结构图如图2.1右。
这种结构下钙钛矿既是光吸收层又是电子传输层和空穴传输层，其优良性能被充分利用。
由于作为空穴传输层（HTMs）的Spiro-OMeTAD材料制备起来相对比较复杂和昂贵，因而无空穴传输层（HTMs）的钙钛矿太阳能电池的研发也成为科研热点。
图2.1 （a）“敏化”钙钛矿太阳能电池结构（b）平面异质结钙钛矿太阳能电池结构2.1.1“敏化”钙钛矿太阳能电池H.S.Kim等科学家制作出了光电转化效率为9.7％的敏化全固态钙钛矿太阳能电池，作为光吸收层的钙钛矿CH3NH3PbI3的光吸收系数很高，较薄的钙钛矿敏化的多孔TiO2层可以吸收大量的光源，因而电池可以产生高达17.6mA/cm2的短路电流密度。
此后tzelaGr 等科学家优化了电池制备方法，在TiO2光阳极表面上形成CH3NH3PbI3纳米晶，此纳米晶具有高吸附性和该覆盖性。
此方法使得太阳能电池光电转换效率达到15％，并且具有极高的稳定性，500小时后光电转化效率仍然达到一开始的80％.一维的TiO2纳米结构，包括纳米棒、纳米管、纳米线等，相比较于由TiO2纳米颗粒组成的薄膜，其电子传输效率更高，电子寿命更长，晶界的电荷复合效率更低。
TiO2薄膜因其有利于电子传输，具有恰当的能级，在传统的敏化结构太阳能电池中可以作为光阳极。
钙钛矿太阳能电池基本原理和制备方法2.1基本原理钙钛矿太阳能电池作为一种新出现的太阳能电池，其电池结构目前主要有两种，第一种是由染料敏化太阳能电池演化而来的“敏化”结构，此结构与染料敏化太阳能电池极为相似，具有高吸光性的钙钛矿材料作为光敏化剂，其层状结构的每一层物质依次为透明导电玻璃、ZnO或TiO2致密层、钙钛矿敏化的多孔TiO2或Al2O3层、空穴传输层（HTMs）、金属电极，结构图如图2.1左。
第二种是平面异质结薄膜结构，其层状结构每一层物质依次为透明导电玻璃、ZnO或TiO2致密层、钙钛矿层、空穴传输层（HTMs）、金属电极，结构图如图2.1右。
这种结构下钙钛矿既是光吸收层又是电子传输层和空穴传输层，其优良性能被充分利用。
由于作为空穴传输层（HTMs）的Spiro-OMeTAD材料制备起来相对比较复杂和昂贵，因而无空穴传输层（HTMs）的钙钛矿太阳能电池的研发也成为科研热点。
图2.1 （a）“敏化”钙钛矿太阳能电池结构（b）平面异质结钙钛矿太阳能电池结构2.1.1“敏化”钙钛矿太阳能电池H.S.Kim等科学家制作出了光电转化效率为9.7％的敏化全固态钙钛矿太阳能电池，作为光吸收层的钙钛矿CH3NH3PbI3的光吸收系数很高，较薄的钙钛矿敏化的多孔TiO2层可以吸收大量的光源，因而电池可以产生高达17.6mA/cm2的短路电流密度。
此后tzelaGr 等科学家优化了电池制备方法，在TiO2光阳极表面上形成CH3NH3PbI3纳米晶，此纳米晶具有高吸附性和该覆盖性。
此方法使得太阳能电池光电转换效率达到15％，并且具有极高的稳定性，500小时后光电转化效率仍然达到一开始的80％.一维的TiO2纳米结构，包括纳米棒、纳米管、纳米线等，相比较于由TiO2纳米颗粒组成的薄膜，其电子传输效率更高，电子寿命更长，晶界的电荷复合效率更低。
TiO2薄膜因其有利于电子传输，具有恰当的能级，在传统的敏化结构太阳能电池中可以作为光阳极。
大 学 化 学Univ. Chem. 2024, 39 (4), 178收稿：2023-11-29；录用：2024-01-08；网络发表：2024-01-11*通讯作者，Email:*************.cn基金资助：国家自然科学基金(22169022)；延安大学教学改革研究项目(YDJG22-39)•专题• doi: 10.3866/PKU.DXHX202311091 综合创新实验：碳基钙钛矿太阳能电池的制备与性能表征高怡璇，昝灵兴，张文林，魏清渤*延安大学化学与化工学院，陕西 延安 716000摘要：实验教学对于化学专业学生的创新能力培养至关重要。
通过综合实验教学，培养化学专业学生发现问题和解决问题的能力，增强学生对太阳能光伏器件的研究兴趣，树立科研信心，培养学生的创新能力。
采用表面工程提高可刮涂的碳基钙钛矿电池的性能，促进界面层间的空穴传输和钙钛矿/碳界面接触，提高电池器件的转换效率。
该实验可操作性强，安全性高，可以直观感受光能与电能之间的转化，深入理解光伏器件的工作原理。
关键词：钙钛矿；太阳能电池；表面工程；碳电极中图分类号：G64：O6Comprehensive Innovation Experiment: Preparation andCharacterization of Carbon-based Perovskite Solar CellsYixuan Gao, Lingxing Zan, Wenlin Zhang, Qingbo Wei *College of Chemistry & Chemical Engineering, Yan’an University, Yan’an 716000, Shaanxi Province, China.Abstract: Experimental teaching is crucial for fostering the innovative capabilities of chemistry students. Through comprehensive experimental training, students can develop their problem-solving skills and cultivate a strong interest in researching photovoltaic devices, thereby instilling confidence in scientific research and nurturing their innovative abilities. The utilization of surface engineering enhances the performance of easily applicable carbon-based perovskite solar cells, facilitating interlayer hole transport and promoting contact between the perovskite and carbon interfaces, ultimately improving the efficiency of the devices. This experiment is highly practical and safe, allowing students to directly experience the conversion of light energy into electrical energy and gain a profound understanding of the operational principles of photovoltaic devices.Key Words: Perovskite; Solar cell; Surface engineering; Carbon electrodes普通高校化学专业是培养在化学及其相关领域从事教育、科研等工作的高级专门人才，在大学阶段培养学生的创新精神和创新实践能力，使其成为具有创新精神和实践能力的人才。
钙钛矿太阳能电池的小面积制备工艺与流程目前钙钛矿太阳能电池在中试阶段的主要是钙钛矿单结电池。
因此以下我们主要概述钙钛矿单结电池的结构及制备工艺。
1.钙钛矿太阳能电池的结构探究钙钛矿电池的制备工艺，首先要明确钙钛矿电池的结构。
钙钛矿太阳能电池主要由五部分组成，包括透明导电基底、电子传输层（ETL）、钙钛矿吸光层、空穴传输层（HTL）、金属电极，具体如下：1）透明导电基底：一般采用氧化铟锡导电玻璃（ITO）或者氟掺杂的氧化锡导电玻璃（FTO）。
作为其他材料的载体，光线由此射入，将收集到的光电子传送至外电路。
2）电子传输层（ETL）：由致密TiO2和介孔TiO2两层材料组成。
其中，致密TiO2用于阻止导电基底与钙钛矿的直接接触，避免空穴向导电基底传输；介孔TiO2为钙钛矿生长提供框架与支撑，形成多孔TiO2/钙钛矿混合层，用于传输电子。
3）钙钛矿吸光层：典型代表为碘化铅甲胺（MAPbI3，MA=CH3NH3+），用于吸收太阳光产生光电子的活性材料。
4）空穴传输层（HTL）：通常使用Spiro-OMeTAD，用于提取与传输光生空穴。
5）金属电极：通过在空穴传输层外面蒸镀一层金获得，用于传输电荷并连接外电路。
钙钛矿电池的结构及工作原理2.钙钛矿电池主要制备工艺对应钙钛矿的五层结构，电子传输层（ETL）、钙钛矿吸光层、空穴传输层（HTL）为制备工艺的核心环节，最核心环节即钙钛矿吸光层的制备。
透明导电基底层可外采导电玻璃或柔性片；金属电极通常通过使用贵金属真空蒸镀获得。
钙钛矿电池主要制备工艺针对钙钛矿电池最核心的工艺环节（钙钛矿吸光层的制备），主要包括旋涂法以及气相法。
旋涂法又称湿法，气相法又称为干法。
1）旋涂法：旋涂法工艺相对简单，为目前主流的钙钛矿吸光层制备方法。
按照步骤的不同可进一步分为一步法、两步法。
其中，一步法指将钙钛矿的原料全部加入溶剂中，完全溶解后形成前驱溶液，前驱体溶液旋涂于基板上，溶剂在高速旋转中挥发，溶质留在基板上结晶形成钙钛矿薄膜。
