钙钛矿太阳能电池

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

2、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 hav

3、e 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. Duri

4、ng 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

5、矿结构组成为ABC3,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 BC6八面体共 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，

6、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 r UAiMH aimru图

7、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A12O3,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，

8、 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 c 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/mA3,载流子迁移率为 50cmA2/(V*s),吸收系数10A5,消光系数较高， 几百纳米厚薄膜就可以充分吸收 800nm以内

9、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1pm,这些特性使得钙钛矿电 池表现出有意的性能。5XUO班卜的咖餐3 川裁，M制， < ifIU iMh Rfctl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。网一步法目前应用较为广泛，以CH3NH3PhI划例。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

10、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 C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。网溶液法与蒸汽法混合，首先以旋涂的方 式将含有PhI2的

11、DMF溶液涂到TiO2上，再 将之在150c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

12、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。3CH3NH3PbI3(s) = CH3NH3I(aq) + Pbl2(s)CH3NH3Pblfaq) U CH；

13、iNH2(aq) t HI(aq)4HI(aq) + O? = 2I2(s) + 2Ha02HI(aq)H2T+Ia(s)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ETMo 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 六、结语钙钛矿太阳能电池虽然面临着一定的问 题，

14、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) 17-29Zhao Y, Li H, Guan L L, Wu J, Xu N. The history and present situation of the development of technology of perovskite solar c

15、ell 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. 2014.801-821Wei J, Zhao Q, Li H. Perovskite battery: new hope of photovoltaic J. Beijing. Peking University institut

16、ion 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学院，金属基复合材料国家重点实验室. 2002. 40

17、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，赵颖等. 钙钛矿太阳电池综述N. 天津 . 南开大学光电子

18、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, Sun S M, Guo Z P. Structu

19、re 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. 44-48Gao X H. Structure of perovskite J. Xi an.Xidian University. 1994. 44-487 记者 刘震 . 钙钛矿

20、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. Universit 徒'Angers. 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，然后本篇文章主要论述钙钛矿的基本结构，电池的基本构造，钙钛

21、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一旧版链接一数据库。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ta-itM.0 AbiUTtMi VW* 事4*miqLI/ILK

22、uixam；h *看量'&*K.N行事 IHI/、"iJst'IJ"段1，*r sW-EV，jn- FFMM't|Rrm MH- .hFIVmi i'Hh，EjI*>» FE1*1量 miAIM mWM1Fqp4-FJi. h m*i ate *r.-aa4M MM.I/IH ft-BlUTKliftW f长I9aMF帆1SL 况.书a v用Hngam雷：“,ir»罪”vV1 F噂上ItAtfc*J a卜uI.eVWKWMiXINI) -jlriJa 9#IHH4u雪»H4I« tAJMJ

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