钙钛矿太阳能电池研究进展

1、钙钛矿型太阳能电池简介钙钛矿型太阳能电池简介目录目录背景背景介绍介绍研究研究重点重点研究研究现状现状研究研究方向方向 应用到太阳能电池中的钙钛矿具有应用到太阳能电池中的钙钛矿具有ABX3结构，一般为立方体或八面体结构，结构，一般为立方体或八面体结构，A为一种大的阳离子；为一种大的阳离子；B为小的金属阳离子；为小的金属阳离子；X为卤素阴离子。为卤素阴离子。 具有稳定的晶体结构、独特的电磁性能以具有稳定的晶体结构、独特的电磁性能以及很高的氧化还原、氢解、异构化、及很高的氧化还原、氢解、异构化、吸光性吸光性、电催化等活性，是一种新型的功能材料。电催化等活性，是一种新型的功能材料。钙钛矿结构钙钛矿结构

2、1 1、背景介绍、背景介绍甲胺碘化铅甲胺碘化铅（ CH3NH3PbI3 ） 2009年，年， Akihiro Kojima1首次将首次将CH3NH3PbI3和和CH3NH3PbBr3制备制备成成量子点量子点(9-10nm)应用到太阳能电池中应用到太阳能电池中(染料敏化太阳能电池，简称染料敏化太阳能电池，简称DSSC), 研究了在可见光范围内，该类材料敏化研究了在可见光范围内，该类材料敏化TiO2 的太阳能电池的性的太阳能电池的性能。最后，获得了能。最后，获得了3.8%的光电效率的光电效率。1 . Akihiro Kojima, Kenjiro Teshima. J. AM. CHEM. SOC

3、, 2009, 131: 60506051. 2011年年2，研究者将实验方案进行了改进与优化，制备的，研究者将实验方案进行了改进与优化，制备的CH3NH3PbI3量子点达到量子点达到2-3nm,电池效率增加了一倍达到了电池效率增加了一倍达到了6.54%2。 但是，由于部分但是，由于部分金属卤化物在液态电解质中发生溶解金属卤化物在液态电解质中发生溶解，很大程度上，很大程度上降低了电池的稳定性与使用寿命，这是该电池的致命的缺点。降低了电池的稳定性与使用寿命，这是该电池的致命的缺点。2. J.-H. Im, et al. Nanoscale, 2011, 3 : 4088-4093. 2012年年

4、3，科学家将一种固态的，科学家将一种固态的空穴导体材料空穴导体材料(hole transporting materials ,简称简称HTM)引入到太阳能电池中，使得电池效率达到引入到太阳能电池中，使得电池效率达到10%左左右。右。 HTM的使用，解决了电池的不稳定与难封装的问题，使得电池的的使用，解决了电池的不稳定与难封装的问题，使得电池的商业价值增加。再加上电池的效率大幅增加，并还有进一步提升的可商业价值增加。再加上电池的效率大幅增加，并还有进一步提升的可能性，正式开启了钙钛矿太阳能电池的研究热点。能性，正式开启了钙钛矿太阳能电池的研究热点。3. Jin Hyuck Heo, Sang H

5、yuk Im, et al. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 2071720721钙钛矿型电池结构与工作原理钙钛矿型电池结构与工作原理2.2.研究重点研究重点目前，钙钛矿型太阳能电池的研究发现目前，钙钛矿型太阳能电池的研究发现主要包括以下几方面：主要包括以下几方面：1.1. HTMHTM的种类及结构优化的种类及结构优化2.2. 金属金属- -半导体界面问题半导体界面问题3.3. 电池制备方法优化电池制备方法优化4.4. 钙钛矿的种类（钙钛矿的种类（ CH3NH3PbI3和和CH3NH3PbBr3 、 CH3NH3PbI3 xClx、CsSnI3等等）5.5. 理论研究理

6、论研究3.3.研究进展研究进展 2013年年4， Hui-Seon Kim等人将等人将spiro-OMeTAD作为空穴导作为空穴导体材料应用到太阳能电池中，有效实现了电池效率的提升；体材料应用到太阳能电池中，有效实现了电池效率的提升； 4. Hui-Seon Kim, Jin-Wook Lee, et al. Nano Lett. 2013, 13, 24122417 2013年年5，研究者研究了三种不同的，研究者研究了三种不同的HTM对电池性能的影响。对电池性能的影响。 1. spiro-OMeTAD, 2. poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) P3HT3. 4-

7、(diethylamino)-benzaldehyde diphenylhydrazone DEH 三者的效率依次为三者的效率依次为8.5%, 4.5%, 和和 1.6%。 spiro-OMeTAD具有较高的效具有较高的效率，是因为载子在其中具有较高的寿命，电荷与空穴的分离速度快，有效抑率，是因为载子在其中具有较高的寿命，电荷与空穴的分离速度快，有效抑制了电子的复合。制了电子的复合。5. Dong qin Bi, Lei Yang，et al. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 153215366J.M.Ball, M. M. Lee, et al. Energy E

8、nviron. Sci., 2013,6, 1739-1743 考虑到电池中载流子的传递过程，既可以选择导电的介孔材考虑到电池中载流子的传递过程，既可以选择导电的介孔材料做电子导体，也可选择不能导电的介孔材料为电子传递介质。料做电子导体，也可选择不能导电的介孔材料为电子传递介质。研究者将研究者将AlAl2 2O O3 3替代部分替代部分TiOTiO2 2作为电子传递介质，进行了研究发现作为电子传递介质，进行了研究发现电池效率达到了电池效率达到了12.3%12.3%66。基于此，还有采用。基于此，还有采用ZrOZrO2 2做电子传递层。做电子传递层。 2014年年7，我国中科院研究者为了，我国中

9、科院研究者为了改善金属改善金属-半导体界面的半导体界面的电子传输性电子传输性 在两者间引入了一层薄宽禁带度的有机半导体，在两者间引入了一层薄宽禁带度的有机半导体，N，N ， N，N -四苯基联苯胺四苯基联苯胺(TPB),以此提高了界面电阻（以此提高了界面电阻（EIS），），有效抑制了界面的电子复合有效抑制了界面的电子复合(暗电流暗电流)，使得电池效率由，使得电池效率由5.26%提提升到升到6.26%,最高达到最高达到6.26%。7. Yuzhuan Xu, Jiangjian Shi, et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 56515656 2

10、014 2014年年88，我国中科院的研究者采用，我国中科院的研究者采用两步沉积法两步沉积法对对CHCH3 3NHNH3 3PbIPbI3 3层进层进行了优化。增强了行了优化。增强了CHCH3 3NHNH3 3PbIPbI3 3层的稳定性与光的捕获能力，电池效率达层的稳定性与光的捕获能力，电池效率达到了到了10.47%10.47%，开路电压达到了，开路电压达到了948mV948mV。8. Shi J, Luo Y, Wei H, et al. ACS applied materials & interfaces, 2014.瞬态光致发光图谱瞬态光致发光图谱 为了改善为了改善TiO2高温

11、处理可能会影响技术的应用广泛度，研究者高温处理可能会影响技术的应用广泛度，研究者9采用在低温（采用在低温（120）的条件下，在刚性和柔性基底（）的条件下，在刚性和柔性基底（聚对苯二甲酸聚对苯二甲酸乙酯乙酯）上制备了太阳能电池。刚性基底上效率达到）上制备了太阳能电池。刚性基底上效率达到11.5%，柔性基底，柔性基底上达到上达到9.2%9Jingbi You, Ziruo Hong, et al.Nano Letters 2014, 8(2): 16741680 20142014年年1010，有研究者制备了，有研究者制备了PbSPbS/CH/CH3 3NHNH3 3PbIPbI3 3 (=MAP)

12、(=MAP)核核/ /壳结构的壳结构的钙钛矿太阳能电池，并将其的光电性能，与只有钙钛矿太阳能电池，并将其的光电性能，与只有PbSPbS时作了对比；发时作了对比；发现应用核现应用核/ /壳可以增加光在太阳能电池中的散射，从而提高光的捕获，壳可以增加光在太阳能电池中的散射，从而提高光的捕获，使得对光的利用率增加，效率也就增加。使得对光的利用率增加，效率也就增加。10. Gabseok Seo, Jangwon Seo, et al. J. Phys. Chem. Lett, 20144. 4. 研究方向研究方向 就目前来看，钙钛矿太阳能电池尽管电池的转换效率有了一定的就目前来看，钙钛矿太阳能电池尽管电池的转换效率有了一定的提升，提升，最高效率达到最高效率达到16%16%左右左右，但是仍然存在以下问题：，但是仍然存在以下问题：1.1. 效率低，没有达到理论的目标（效率低，没有达到理论的目标（20%20%）；）；2.2. 电子复合严重；电子复合严重；3.3. 理论研究不够。理论研究不够。研究方向：研究方向：1.1. 优化实验方案，找寻最佳的实验条件；优化实验方案，找寻最佳的实验条件