钙钛矿太阳能电池的应用研究

钙钛矿太阳能电池,汇报人：黄蕾宫文婧张庆制作人：吴慧蓝小玲刘敏张依依,2,目录CONTENTS,背景介绍,发展历程,工作原理与制备,存在的问题及展望,1,2,3,4,3,背景介绍,传统的硅太阳能电池成本高、生产工艺复杂，环境污染，因此，开发高光电转换效率、低成本的新型太阳能电池成为人们关注的重点。近年来，一种以金属有机卤化物作吸光材料的钙钛矿太阳能电池由于其高光电转换效率、低成本而成为光伏领域研究的热点之一。,1邓林龙,谢素原,黄荣彬,郑兰荪.钙钛矿太阳能电池材料和器件的研究进展J.厦门大学学报(自然科学版),2015,05:619-629.,图2几种薄膜太阳能电池光电转换效率近20年来的提升情况,图1钙钛矿太阳能电池,4,背景介绍,钙钛矿结构：钙钛矿为ABX3结构，一般为立方体或八面体结构。A为一种大的阳离子B为小的金属阳离子X为卤素阴离子优势：,图4钙钛矿的晶胞模型,图5钙钛矿的立方晶体结构,1魏静,赵清,李恒,施成龙,田建军,曹国忠,俞大鹏.钙钛矿太阳能电池：光伏领域的新希望J.中国科学：技术科学,2014,08:619-629.,消光系数高带隙宽度合适优良的双极性载流子输运性质低成本温和条件制备、结构简单,5,发展历程1,1883年第一块太阳电池制备成功。查理斯用硒半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结，只有1%的效率,第一个半导体太阳能电池在1954年诞生在贝尔实验室。太阳电池技术的时代终于到来,2009年，钙钛矿太阳能电池首次被提出,由Miyasaka制备，其光电转换效率为3.8%,1839年，光生伏特效应第一次由法国物理学家发现。,1关丽,李明军,李旭,韦志仁,滕枫.有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池的研究进展J.科学通报,2015,07:581-592.1魏静,赵清,李恒,施成龙,田建军,曹国忠,俞大鹏.钙钛矿太阳能电池：光伏领域的新希望J.中国科学：技术科学,2014,08:619-629.,6,2011年,通过修饰TiO2衬底表面，将钙钛矿敏化电池的效率提高到了6.5%.2012年，利用固态空穴传输材料替代液态电解质，取得了9.7%的光电转换效率。,发展历程2,1魏静,赵清,李恒,施成龙,田建军,曹国忠,俞大鹏.钙钛矿太阳能电池:光伏领域的新希望J.中国科学:技术科学,2014,08:801-821.,2013年，通过共蒸法和溶液法制备了钙钛矿吸收层，光电转换效率分别达15.4%和12.2%。2013年11月，结合低温工艺，在玻璃和PET衬底上制备出了光电转换效率高达15.7%和10%的平面结构钙钛矿太阳能电池。2014年，我国研究者为了改善界面的电子传输性，在中间加入一层有机半导体，电池效率由5.26%提升到6.26%。,发展历程3,1张玮皓,彭晓晨,冯晓东.钙钛矿太阳能电池的研究进展J.电子元件与材料,2014,08:7-11.,图6钙钛矿太阳能电池效率发展图,工作原理,1邓林龙,谢素原,黄荣彬,郑兰荪.钙钛矿太阳能电池材料和器件的研究进展J.厦门大学学报(自然科学版),2015,05:619-629.,图7钙钛矿太阳能电池结构,图8电子传输材料（左）吸光材料（中）空穴传输材料（右）能级示意图,工作原理,1赵雨,李惠,关雷雷,吴嘉达,许宁.钙钛矿太阳能电池技术发展历史与现状J.材料导报,2015,11:17-21+291杨林,左智翔,于凤琴,纪三郝,王天华,王鸣魁.钙钛矿太阳能电池的研究进展J.化工技术与开发,2015,09:40-45,PSC具有P-I-N结构,钙钛矿作为光吸收层(I本征层）夹在电子传输层TiO2（N型）和HTM（P型）之间。,图9钙钛矿太阳能电池工作原理,吸收层的制备,CH3NH3PbI3制备方法,一步溶液法,两步连续沉积法,两步旋涂溶液法,气相法，气相辅助沉积法,吸收层的制备,1吴亚美,杨瑞霞,田汉民,王如,花中秋,陈帅.钙钛矿太阳电池吸收层制备工艺J.半导体技术,2015,10:730-738+782.,优点：制备工艺简单缺点：难以控制结晶过程,影响PSC的光伏性能改进措施：前驱溶液中添加NH4Cl,CH3NH3Cl,制备CH3NH3PbI3材料前驱体溶液。将前驱溶液旋转涂覆在TiO2表面再进行热退火.,图10一步溶液法,吸收层的制备,1吴亚美,杨瑞霞,田汉民,王如,花中秋,陈帅.钙钛矿太阳电池吸收层制备工艺J.半导体技术,2015,10:730-738+782.,将PbI2溶液沉积在TiO2层上干燥。将TiO2/PbI2复合薄膜浸入到CH3NH3I溶液中反应后干燥。,多孔支架层,1、防止工作电极和背电极接触所导致的短路电流2、其孔隙(直径约为20nm)能够将PbI2晶粒尺寸限制,图11两步连续沉积法,图12多孔钙钛矿太阳能电池,图13平面钙钛矿太阳能电池,图14两步旋涂溶液法,图15气相蒸发法,图16气相辅助蒸发法,将PbI2溶液旋涂在TiO2层上干燥后将CH3NH3I溶液旋涂在PbI2/TiO2复合层上，再热退火.形成CH3NH3PbI3。,2、再放入到CH3NH3I蒸汽环境中形成CH3NH3PbI3,1、通过溶液法制备PbI2层,吸收层的制备,1吴亚美,杨瑞霞,田汉民,王如,花中秋,陈帅.钙钛矿太阳电池吸收层制备工艺J.半导体技术,2015,10:730-738+782.,图17溶液法钙钛矿层,图18气相蒸发法钙钛矿层,吸收层的制备,1邵景珍,董伟伟,邓赞红,陶汝华,方晓东.基于有机金属卤化物钙钛矿材料的全固态太阳能电池研究进展J.功能材料,2014,24:24008-24013,存在的问题及展望,制备技术,产业化推进,理论研究,寻找合适替代材料,问,题,16,存在的问题及展望,1、制备技术：PSC与氧气发生化学反应破坏晶体结构,并产生水蒸气,溶解钙钛矿，钙钛矿中的铅可能会滤出,对屋顶和土壤造成一定的污染.,2、产业化推进:（1）制备面积：微小（2）空穴传输层造价昂贵开发研究包括石墨烯等载流子迁移率高且制备工艺简单、造价低的无机空穴传输层是今后的主要工作.（3）提高器件稳定性与寿命,1赵雨,李惠,关雷雷,吴嘉达,许宁.钙钛矿太阳能电池技术发展历史与现状J.材料报,2015,11:17-21+291魏静,赵清,李恒,施成龙,田建军,曹国忠,俞大鹏.钙钛矿太阳能电池：光伏领域的新希望J.中国科学：技术科学,2014,08:619-629.,图19北京大学研究小组制备的效率为6.23%的PSC的性能及48h后效率变化,17,极高吸光能力的微观机理,光生载流子的产生机理,界面作用,优点是吸光系数很大,吸光能力比传统染料高10倍以上,但其微观机理都没有定论.,争论:激发电子-空穴对机理激发激子机理.,多晶材料制备,对界面载流子的注入和传导具有重大影响;吸光层与电子传输层、HTM之间的界面对整个能量转换的作用到目前无太多的研究.,3、理论研究：,存在的问题及展望,1赵雨,李惠,关雷雷,吴嘉达,许宁.钙钛矿太阳能电池技术发展历史与现状J.材料报,2015,11:17-21+291魏静,赵清,李恒,施成龙,田建军,曹国忠,俞大鹏.钙钛矿太阳能电池：光伏领域的新希望J.中国科学：技术科学,2014,08:619-629.,18,2020/5/20,4、寻找合适替代材料：（1）制备无铅钙钛矿材料:现在的有机金属卤化物钙钛矿材料含有铅元素。（2）氧化物钙钛矿太阳能材料:除了有机/无机复合钙钛矿材料以外,所以也必须研究一些能带合适、吸光能力强的无机氧化物钙钛矿材料在高效能量转换方面的潜能.（3）新的电子/空穴传导材料:现在使用的有机空穴传输材料Spiro-OMeTAD,必须寻找更加有效、稳定且廉价的电子/空穴传输材料来提高钙钛矿太阳能电池的转换效率.,1赵雨,李惠,关雷雷,吴嘉达,许宁.钙钛矿太阳能电池技术发展历史与现状J.材料报,2015,11:17-21+291魏静,赵清,李恒,施成龙,田建军,曹国忠,俞大鹏.钙钛矿太阳能电池：光伏领域的新希望J.中国科学：技术科学,2014,08:619-629.,存在的问题及展望,19,2020/5/20,展望：自太阳电池采用钙钛矿材料以来，其效率屡次翻番，并逐渐引起了业界的注意。它不仅拥有第一代太阳电池高转化效率的特点，还有第二代太阳电池薄膜化的特点，可用溶液法卷对卷生产，并以独特的