钙钛矿太阳能电池(20180723164910).pdf

2015.11 钙钛矿太阳能电池简述1 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 project 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 perovskite. 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2015.11 钙钛矿太阳能电池简述2 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，增加了载流子扩散长度，可达 1μ m，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2015.11 钙钛矿太阳能电池简述3 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]①电池稳定性问题；②吸收层中可能含有可溶性重金属铅；③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；④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是未来主要研究内容。 [2]2015.11 钙钛矿太阳能电池简述4 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 . 20143 17-29 Zhao Y, Li H, Guan L L, Wu J, Xu N. 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Universit d’ Angers. 20023 2015.11 钙钛矿太阳能电池简述5 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，然后本篇文章主要论述钙钛矿的基本结构，电池的基本构造，钙钛矿的制备方法，钙钛矿电池的发展前景，钙钛矿电池的缺点，以及未来的展望。2. 根据细分的研究的内容，进入天津大学图书馆→旧版链接→数据库。然后可以选择各种数据库，例如中文数据库万方， CNKI等，英文数据库 SCI， Nature ， Science 等。3. 进入数据库，搜索关键词，还可以选择搜索的范围，例如期刊，专著，专利等。然后就能看到各式各样的相关文献，对有兴趣的可以点击下载。4. 利用 Endnote 批量导出文献，导入到自己建立的虚拟图书馆中，进行分类管理，便于查看文献的各种信息。数 据 库 的 检索 界 面 和 结果呈现界面2015.11 钙钛矿太阳能电池简述6 Endnote 建立的图书馆，共 254 篇文献