钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性

2020·12 基础研究 34 Modern Chemical Research 当代化工研究 钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性 ＊李成辉 （四川省盐业学校 四川 643010） 摘要：现阶段电池材料和技术持续更新和进步，钙钛矿太阳能电池对于光伏产业的发展具有积极意义，会给未来社会建设发展产生深远 影响。本文主要从分析钙钛矿太阳能电池的基本情况入手，分别介绍了这一电池的效率和稳定性研究活动，提出了一些科学可行的改进策 略，为更好制造钙钛矿太阳能电池，发挥其光电转换效用，提供一定借鉴和参考。 关键词：钙钛矿；太阳能电池；效率；稳定性 中图分类号：TM914.4 文献标识码：A Efficiency and Stability of Perovskite Solar Cells Li Chenghui (Sichuan Provincial Salt Industry School, Sichuan, 643010) Abstract：At present, the battery materials and technology continue to update and progress. Perovskite solar cells have a positive significance for the development of photovoltaic industry, and will have a profound impact on the construction and development of future society. This paper starts with the analysis of the basic situation of perovskite solar cells, introduces the research activities of the efficiency and stability of the cells, and puts forward some scientific and feasible improvement strategies, so as to provide some reference for better manufacturing of perovskite solar cells and exerting their photoelectric conversion effect. Key words：perovskite；solar cell；efficiency；stability 1.前言 钙钛矿太阳能电池采用极低的材料成本，拥有卓越的光 电性能，引起多个领域的广泛关注。钙钛矿太阳能电池应用 过程中，能够得到25.2%以上的光电转换效率，显现出极大 程度的发展潜力，属于前景广阔的光伏材料。需要注意到的 是，钙钛矿太阳能电池在稳定性方面还存在着一定不足，主 要表现在紫外线辐射和水方面，长期稳定性还较差。未来开 展钙钛矿太阳能电池研究工作也主要集中在了不断提高其应 用效率和稳定性方面。 2.钙钛矿太阳能电池的基本情况 1839年德国矿物学家Gustav Rose首次发现钙钛氧化物 的矿物结构，随后被俄罗斯的矿物学家Lev A.Perovski表 征，由此命名。在表示钙钛矿材料的过程中，通过化学式 ABX 3 进行，这其中A和B属于阳离子，尺寸有所不同，而X是阴 离子，主要是氧、卤族元素或者碱金属方面。光电转换工作 进行中，积极使用钙钛矿类物质，能够取得较高的效率 [1] 。 科学家们持续开展钙钛矿材料相关研究，致力于提升其 在光电转换方面的作用和效果。在2019年8月2日，NREL发布 最新的最高确认转换效率图表，发现钙钛矿结构的有机太阳 能电池转化效率能够达到25.2%，相较于当前市面上流行的 太阳能电池转化效率来说，可以达到2倍，这在降低太阳能 电池制造和使用成本方面显现出极大优势。这一研究表明了 钙钛矿对于太阳能产业的发展面貌具有重要影响。就目前市 场上的太阳能电池来说，所采用的材料集中在了硅和碲化镉 方面，在经过10多年的研究，才达到了当前应用转化效率， 而钙钛矿太阳能电池的研究则花费了4年的时间，业界十分 看好其研究前景。钙钛矿太阳能电池在应用过程中，并不需 要使用电场实现电流产生的目标，因而实际使用的材料数量 将有效减少，还能够产生更高的电压，相应地，能量产出也 会增加。但是不容忽视的是，尽管钙钛矿用于制作太阳能电 池显现出较多实用性属性，但是想要真正制造出有效使用的 钙钛矿太阳能电池，还需要经历较长的研究阶段。 图1 钙钛矿太阳能电池 3.效率研究 钙钛矿材料本身具备独特性特征，包含平面异质结结 构和介孔纳米结构两个典型形式，这两种形式在实际应用过 程中表现出相同的传输率，但是对于再复合率方面，介孔结 构效果更好，因而也被看作是显现光伏特性的重要因素。分 析钙钛矿太阳能电池的光伏特性，能够发现材料本身属性会 产生重要影响，而且制备工艺和电荷传输层方面也会产生较 大作用。因而开展钙钛矿太阳能电池的深入研究活动，实现 不断提升应用效率的目标，需要注重从以下两个方面入手： (1)改进制备方法 钙钛矿太阳能电池拥有十分优异的光伏特性，在具体研 究工作中，重点在于形成高质量的薄膜，当前较多使用的制 备工艺有真空镀膜方法、涂层方法以及气相沉积方法等。韩 国成均馆大学Nam-Gyu Park团队在优化TiO 2 和钙钛矿制作工 艺方面使用到一步涂层方法，但是对于钙钛矿晶体的形态控 制方面效果不佳，且不具备较好的电池工艺再现性，因而该 团队开始使用两步涂层方法，主要是针对涂层的参数进行调 节，从而获取到高质量的薄膜，这一方法所形成的薄膜拥有 2020·12 基础研究 35 Modern Chemical Research 当代化工研究 更好的光伏特性和界面效应 [2] 。 对于钙钛矿太阳能电池的研究活动来说，现阶段光电转 换效率最高的是韩国化学技术研究所和麻省理工学院所共同 创造的钙钛矿电池，可以达到25.2%，以此为代表属于三代 光伏电池技术，挤进了晶体硅电池的最高效率行列之中。我 国科技部在2019年6月提出研发稳定大面积钙钛矿电池关键 技术方面的指南，要求钙钛矿光伏电池的效率应该达到19% 以上，面积则要保持在20cm×20cm之上 [3] 。需要注意到的 是，尽管钙钛矿电池研究已经能够达到25.2%，但是其是在 实验室所获取的，整个电池面积控制在1cm以内，是非稳态 的情况。在实验室成果逐渐显现的过程中，钙钛矿太阳能电 池也要积极朝着实践化方向发展。 以苏州协鑫纳米科技有限公司为例加以分析，这一国 内知名钙钛矿公司在研发钙钛矿组件方面追求更大面积，且 拥有较高的光伏效率。该公司当前拥有10MW的钙钛矿中试产 线，得到了13.5%以上钙钛矿组件效率生产认证，这对于产 业化推广钙钛矿太阳能电池生产活动具有积极意义 [4] 。 (2)改进传输材料 电子的传输和接收，阻挡空穴，都需要使用到电荷传输 层，这是钙钛矿太阳能电池设计和应用中的一个重点部分。 一般情况下，制作电荷传输层的过程中，要使用到TiO 2 材 料。为不断提升钙钛矿太阳能电池的实际转换效率，电荷传 输层设计经过了较多优化和改进。首先，采用低温扩散的方 式，通过TiO 2 纳米颗粒得到电子传输层，此时拥有13.6%转 换效率；其次，使用双介孔TiO 2 和ZrO 2 层，可以获取到较高 的电子迁移率和激子寿命，但此时转换效率仅为12.8%，并 没有超过低温扩散的情况，而在TiO 2 或者钙钛矿层中加入富 勒烯，使得电子再复合情况明显减少，将可以得到17.3%的 转换效率 [5] ；再者，实践证明，ZnO纳米棒MAbI 3 可以给整个 钙钛矿电池的设计提供可靠收集系统，能够支持不断提升转 换效率 [6] 。 4.稳定性研究 尽管钙钛矿太阳能电池研究活动已经取得良好进展， 可以获取较高的光电转换效率，有效增强整个电池的应用效 果，还可以使用较少材料，节约制造成本，但是紫外、水以 及热度等因素都会容易影响到这类电池的实际稳定性，主要 是因为容易直接破坏到电池的晶格，从而降解活性材料。对 于钙钛矿太阳能电池应用情况来说，其所产生的离子运动， 会给电流——电压测量工作造成不良影响，这是在光照条件 下发生的迟滞效应。为更好发挥钙钛矿太阳能电池的优势和 作用，需要不断增强整体稳定性，更好支持光电转换工作的 有效开展。 使用控制形貌、选择合适电极的方法，可以在很大程 度上增强钙钛矿太阳能电池材料的内在稳定性。在实际改善 稳定性方面，还能够借助于电荷传输层，促进电池和环境之 间得到有效隔离。在增强晶体结构的过程中，可以使用封装 电池的方法，在界面材料中使用金属氧化物有机成分，或者 将界面改性剂添加到钙钛矿吸收层与电子吸收层之间，从而 针对钙钛矿化学公式中ABX 3 的离子进行改变，在此基础上， 能够有效提升整个钙钛矿太阳能电池的稳定性效果。然而在 实际改善活动进行中，能够作为替代品的离子或者离子团在 ABX 3 中较为有限，对于材料改性的研究活动也相应较少，进 而多是选择到更为合适的电荷传输层作为研究方向 [7] 。 在外界环境的影响下，钙钛矿的活性容易产生降解， 积极利用电荷传输层，将能够起到关键性的保护作用，给多 个领域生产提供更高质量、强稳定性的钙钛矿太阳能电池。 在具体研究和应用过程中，要注重结合钙钛矿材料的实际 特征，选择到合适的电荷传输材料，以往所常用的TiO 2 材料 逐渐被介孔材料ZnO所替代，以此为基础开展钙钛矿制备工 作，即使保持500h的空气暴露状态，依然可以得到90%的光 电转换效率，表明其具备较强的稳定性。此外，为不断提升 钙钛矿太阳能电池的稳定性，还需要关注到紫外光方面，可 以积极使用聚合物材料，可以有效减少钙钛矿和紫外光之间 产生负反应，还可以促进紫外光得以良好转化，形成效果较 好的可见光。在选择防潮层方面，使用聚合物可以取得较好 效果，避免材料产生水解问题 [8] 。 5.结束语 薄膜电池、晶体硅电池都在社会建设与发展方面发挥 积极作用，而钙钛矿太阳能电池作为第三代光伏电池，将会 引起极大的变革。光伏产业的健康稳定发展，会深刻影响到 人们的日常生产生活，积极采用科学性的方式和手段，不断 提升电池光电转换效率，是科学家不断努力的方向。钙钛矿 太阳能电池拥有更高的光电转换效率，为更好发挥其应用优 势，还要持续开展效率和稳定性研究活动。 【参考文献】 [1]姜叶芳,董茹,蔡雪刁,等.两亲性季铵盐对钙钛矿太阳能电 池效率和稳定性的影响[J].高等学校化学学报,2019,40（8）:102- 103. 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