钙钛矿太阳能电池

1、2015.11钙钛矿太阳能电池简述钙钛矿太阳能电池简述杨皓辰（天津大学北洋园校区化工学院2013级化工一班，天津300350）摘要：太阳能电池是当今新能源的典型代表，钙钛矿则是太阳能电池发展中一个新兴的朝阳领域。为研究钙钛矿太阳能电池的性质，进而对现有的钙钛矿太阳能电池技术进行一定的改进创新，本实验小组对钙钛矿的基本结构、钙钛矿太阳能电池的基本结构，钙钛矿电池几种不同的制备方法等进行了研究和实验。发现溶液法仍是现在最普遍易行的方法，与此科学家们也在不断革新其制备方法。在研究实验过程中，我们还了解到钙钛矿太阳能电池虽然是一个有前途的研究热点，但同时也存在着一定的问题，有待我们进行改进。最后，提出

2、了一些发展展望。关键词：钙钛矿太阳能电池；结构；制备；前景；缺点Abstract：Solar cell is the typical representative of new energy. Perovskite is a promising area of the development of solar cell. To study some aspects of the qualities of perovskite solar cell and have some innovation of the appliance of perovskite solar cell, our pr

3、oject group have some experiment and research on the structure of perovskite and perovskite solar cell, and some methods of preparation. We find that the solution method is still the most popular and easy-going. At the same time, lots of scientist are trying some creative methods of preparation of p

4、erovskite. During our experiment, we also learn that despite the fact that perovskite solar cell is a hot study direction, there are some problems that we have to solve. Finally, we make some outlook of perovskite solar cell.Key word: perovskite solar cell; structure; preparation; prospect; weakness

5、6一、钙钛矿的基本结构理想的钙钛矿结构组成为ABO3，它是以B位或A位阳离子为结点的立方晶体，基本单元如图1a，如果从B位阳离子的配位多面体角度观察，钙钛矿的结构是由BO6八面体共定点组成的三维网格，A阳离子填充于其间形成的十二面空穴中。然而，从院子堆积角度观察，它却可以看作两种原子层交替堆垛而成，图中我们把同出一个堆垛的八面体的等边三角形侧面，用一种阴影勾画出来。图b，c中画出层中氧负离子和A阳离子的排列情况。5它清楚地表明：1. 每个A阳离子周围环绕着6个氧阴离子。2. 在相邻的3个A阳离子之间有三个氧阴离子，他们构成小正三角形，每个氧离子位于相邻两个A阳离子中间。3. 如果以A阳离子为中

6、心观察，A阳离子组成一个六方密堆层，在此密堆层的基本单元内有一个氧负离子密堆单元。这是一个负电荷集中区，为了使三个氧负离子稳定的结合在一起，B阳离子必须也位于此中心，以A阳离子为结点堆垛形成立方点阵时，在其密堆单元中的氧负离子密堆单元相互旋转60°，形成六配位的八面体空间，B阳离子位于此中心。B阳离子位于过渡金属，其d电子轨道杂化，与6个氧离子的价层轨道重叠而结合。5在A阳离子与氧阴离子的密堆积中，氧密堆单元中三个氧离子实际上分属于三个氧立方点阵，加上A阳离子和B阳离子的立方点阵，五个立方点阵有序的穿插在一起，就构成了钙钛矿晶体的单元晶胞。6图1二、钙钛矿电池的结构如图介孔结构的钙钛

7、矿太阳能电池为：FTO导电玻璃、TiO2介孔层、钙钛矿层、HTM层、金属电极，在此基础上，又把多孔支架层n型半导体TiO2换成绝缘材料Al2O3，形成一种介观超结构的异质结型太阳能电池，实现了10.49%的转化率。随后，韩宏伟教授采用C电极来替代有机HTM和Au电极，实现了10.64%的转化率。4钙钛矿电池中致密的TiO2作为阻挡层，在FTO与TiO2之间形成了肖特基势垒，有效的阻止了电子在FTO和HTM及空穴由HTM向FTO的回流。致密的厚度对电池的性能起着重要的影响，一般在40-70nm。5电子传输层需要具有较高的电子迁移率，其导带最小值要高于钙钛矿才考的导带最小值，便于接受有钙钛矿层传输

8、的电子，并将其传输到FTO电极中。目前钙钛矿电池中多采用介孔TiO2作为ETM。介孔TiO2曾德厚度对电池的短路电流影响不大，但对开路电压影响显著，但TiO2的制备过程需要经过500的高温热处理，这使得电池衬底的选择性受到很大限制。钙钛矿作为吸收层，在电池中起着至关重要的作用，以CH3NH3PhI3为例，钙钛矿薄膜作为直接带隙半导体，禁带宽度为1.55eV，电导率为10-3S/m3，载流子迁移率为50cm2/(V*s),吸收系数105，消光系数较高，几百纳米厚薄膜就可以充分吸收800nm以内的太阳光，对蓝光和绿光的吸收明显强于硅电池，且钙钛矿结晶具有几近完美的结晶度，极大地减小了载流子复合，增

9、加了载流子扩散长度，可达1m，这些特性使得钙钛矿电池表现出有意的性能。5图2三、钙钛矿薄膜的制备方法钙钛矿材料可译采用多种方法进行制备，比较常见的有一步溶液法，两步溶液法，蒸发法和溶液-气相沉淀法。8一步法目前应用较为广泛，以CH3NH3PhI3为例。将PhX2与CH3NH3I以一定的摩尔比例混合溶于DMF溶液中，搅拌溶液澄清，以旋涂或滴涂的方式将溶液沉淀到ETM中，随后对薄膜进行热处理，即可形成钙钛矿薄膜材料。目前采用一步法制得钙钛矿电池的最高转化率为19.3%。两步法指现将PhI2粉末溶于DMF溶液中，70加热搅拌至澄清后旋涂到介孔TiO2上；晒干后，将衬底浸入含CH3NH3PhI3的异丙

10、醇溶液中，随后热处理即可知的钙钛矿薄膜。与一步法相比，两步法能够更好地控制薄膜的形貌。双源共蒸的方法，通过控制PhI2和CH3NH3I的蒸发速率来控制钙钛矿薄膜的形成，并由此形成了一种新型的平面异质结构钙钛矿电池。与溶液法相比，采用蒸发法制备的钙钛矿薄膜表面更加均匀，且薄膜覆盖率高，避免了HTM与ETM的直接接触。8溶液法与蒸汽法混合，首先以旋涂的方式将含有PhI2的DMF溶液涂到TiO2上，再将之在150的Ch3NH3I蒸汽中热处理2h，即可得到钙钛矿薄膜。这种方法制备的钙钛矿薄膜覆盖率较高，表面均匀，进一步改善了共蒸发过程中蒸发速率过快的问题，电池薄膜效率高达100%。与溶液法相比，所得薄

11、膜粗糙度降低，晶粒尺寸变大。四、钙钛矿电池的缺点首先，目前实验室里制造的大部分是微小的，仅几毫米大。相比之下，晶体硅太阳能电池单体片尺寸高达十几厘米。实验室很难生产出较大面积的钙钛矿连续薄膜。其次钙钛矿太阳能电池对氧气非常敏感，会与其发生反应进而破坏晶体结构，并产生水蒸气，溶解盐状的钙钛矿。目前，最好的钙钛矿中铅可能会滤出，对屋顶和土壤造成一定的污染。除此之外，钙钛矿电池还面临着制造技术的瓶颈和器件测试方面的问题：空穴传输层价格昂贵和能量转换效率测试时间回滞现象。4五、面临问题和发展趋势钙钛矿太阳能电池发展现状良好，但仍有若干关键因素可能制约钙钛矿太阳能电池的发展。7 电池稳定性问题；吸收层中

12、可能含有可溶性重金属铅； 现金钙钛矿应用最广的旋涂法，但旋涂法难于沉淀大面积、连续的钙钛矿薄膜，故还需对其方法放进行改造，以期能制备高效的大面积钙钛矿电池，便于以后的商业化生产； 钙钛矿太阳能电池理论研究还有待增强。3钙钛矿太阳能电池暴露在水中会发生反应。使得钙钛矿太阳能电池很容易发生衰退，为解决这一问题，他们在钙钛矿层与HTM层中间增加了一层三氧化二铝，既阻止了钙钛矿层与周围空气和水分的接触而产生衰退效应，也有效阻止了TiO2与spiro-OMeTAD之间的直接接触，抑制了界面间的复合。1提高电池的效率和稳定性，寻找低成本高性能的ETM。HTM层，并进一步简化电池结构，实现大面积制备电池工艺

13、是未来主要研究内容。2六、结语钙钛矿太阳能电池虽然面临着一定的问题，但在社会飞速发展，提倡科技创新的潮流下，这既是机遇又是挑战，科学界一定不会放松对该领域的探索。我们的课题小组也紧跟时代的步伐与潮流，竭尽所能，为钙钛矿太阳能电池的蓬勃发展贡献自己微小的力量。参考文献1 赵雨，李惠，关雷雷，吴嘉，许宁等. 钙钛矿太阳能电池技术发展历史与现状J 上海.复旦大学信息科学与工程学院. 2014(3) 17-29 Zhao Y, Li H, Guan L L, Wu J, Xu N. The history and present situation of the development of tech

14、nology of perovskite solar cell J Shanghai.Fudan University the institution of information science and engineering. 2014(3) 17-292 魏静，赵清，李恒等. 钙钛矿电池：光伏领域的新希望J 北京.北京大学物理学院纳米结构与低维物理实验室，电子显微实验室 大连.大连理工大学材料科学与工程学院. 2014. 801-821 Wei J, Zhao Q, Li H. Perovskite battery: new hope of photovoltaic J. Beijing

15、. Peking University institution of science nanometer structure and low dimensional physics laboratory, electron microscopy laboratory. Dalian. Dalian University and technology the institution of material science and engineering. 2014. 801-821 3 杨旭东，陈汉，毕恩兵，韩礼元等. 高效率钙钛矿太阳能电池发展中的关键问题N. 上海.上海交通大学材料科学与工程

16、学院，金属基复合材料国家重点实验室. 2002. 40 Yang X D, Chen H, Bi E B, Han L Y. Key problem in the development of high efficiency perovskite solar cell N. Shanghai. Shanghai Jiao Tong University the institution of material science and enginnering State Key Laboratory of metal matrix composites. 2002.404 姚鑫，丁艳丽，张晓丹，赵

17、颖等. 钙钛矿太阳电池综述N. 天津.南开大学光电子薄膜器件与技术研究所. 2014(10) Yao X, Ding Y L, Zhang X D, Zhao Y. Summary of perovskite solar cell N. Tianjin. Nan Kai University. Optoelectronic thin film device and Technology Research Institution. 2014(10)5 康振晋，孙尚梅，郭振平等. 钙钛矿结构类型的功能材料的结构单元和结构演变N. 吉林延边.延边大学理工学院. 2000(4) Kang Z J, S

18、un S M, Guo Z P. Structure units and structural evolution of functional materials with perovskite structure N. Jilin Yanbian. Yanbian University the institution of science and engineering. 2000(4)6 高西汉等. 钙钛矿结构J. 西安.西安电子科技大学. 1994. 44-48 Gao X H. Structure of perovskite J. Xian. Xidian University. 1994. 44-487 记者 刘震. 钙钛矿太阳能电池转化效率可达50%R. 科技日报. 2013(11) Reporter Liu Z. Conversion of perovskite solar cell can reach 50%. 2013(11)8 Jean-Michel Nunzi. Organic photovoltaic materials and devicesJ. France. Université dAngers. 2002(3)查阅文献的基本思路:1. 明确研究的方向，并将大的研究方向细分为几个具体的内容。例如：本课题主要研究钙钛矿太阳能电池，然后本篇文章