固体电子结构与相变

钙钛矿太阳能电池学生：贾福金导师：郭艳群CONTENTS目录1234研究背景与太阳电池的分类钙钛矿太阳电池的结构钙钛矿的晶体结构钙钛矿太阳电池的工作机理研究进展以及面临的问题5一、研究背景与太阳电池的分类研究背景：化石能源不断消耗可再生能源太阳能取之不尽太阳电池的分类：按照太阳能电池发展历程与制作材料可将其分为以下三代第一代太阳能电池,即硅太阳能电池,包括单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳能电池。第二代太阳能电池,即化合物薄膜太阳能电池,主要包括Ⅲ-V族化合物CdTe、CdS、CuInSe、GaAs、铜铟镓硒(CIGS)等。第三代太阳能电池是新型薄膜太阳能电池,主要包括有机聚合物太阳能电池、量子点太阳能电池、染料敏化太阳能电池(Dye-sensitizedsolarcells,DSCs)及钙钛矿太阳能电池(Perovskitesolarcells,PSCs)等。二、钙钛矿太阳电池的结构核心电子收集层（可去除）Au，Ag（TCO玻璃基底）

钙钛矿太阳电池主要由以下四个部分组成。一是电子收集层,其主要作用是负责传输电子与收集电子的作用,主要有无机半导体Ti02,ZnO等；二是有机-无机钙钛矿光吸收层,例如CH3NH3Pbl3,CH3NH3Pbl2Cl,CH3NH3PbBr3等；三是空穴传输层(Holetransportmaterial,HTM),如Spiro-OMeTAD；四是背电极,主要是Au,Ag等。致密层(compactlayer)又被称为阻挡层(blockinglayer),致密层在PSCs中主要有两个作用,一是减少导电基底界面电子复合,二是提供合适的导带位置使光生电子可以有效注入。有机-无机钙钛矿是一种具有钙钛矿晶体结构的半导体染料,目前其能带宽度分布在1.48～2.23ev，因此其在可见光范围内有非常好的吸收。空穴传输剂有机溶剂电解质三苯胺类衍生物Spiro-OMeTAD作为固态空穴传输剂三、钙钛矿的晶体结构

钙钛矿层是该太阳能电池的核心，它的性质直接决定了器件性能的优劣。钙钛矿是一种具有晶体结构的材料，A是即甲胺基，M是Pb原子，X是I、Cl、Br等卤素原子。目前，用于太阳电池的最常见钙钛矿料具有铁电性，反铁磁性，超导电性等多种物理性质。此外更重要的是，太阳能电池中的钙钛矿层吸光性较强，载流子受光激发易分离难复合，这也是以它为吸光层的电池能获得高效率的原因。这种材料的结构中Pb位于八面体的核心，顶角位置是I、Cl、Br原子，立方晶格的顶角位置是，结构如图所示（X为卤素原子，A为甲胺基团，M为铅原子）。四、钙钛矿电池的工作机理

空穴HTM→空穴传输层①有机-无机钙钛矿光敏剂受到太阳光作用后,有机-无机钙钛矿中就会产生电子()与空穴()。②钙钛矿层中的产生电子扩散到n-型半导体界面时被迅速注入其导带中。③然后导带中的电子被导电基底收集进而传递至外电路。④空穴被HTM传输到背电极（Au或Ag）。⑤将背电极与导电基底用导线连接形成回路。光敏剂，又称增感剂，敏化剂，光交联剂。在光化学反应中，把光能转移到一些对可见光不敏感的反应物上以提高或扩大其感光性能的物质。导带是由自由电子形成的能量空间。即固体结构内自由运动的电子所具有的能量范围。对于半导体，所有价电子所处的能带是所谓价带，比价带能量更高的能带是导带。五、研究进展以及面临的问题

对比几种薄膜太阳能电池光电转换效率近20年来的提升情况。相比于有机(OPV)、染料敏化(DSSC)和非晶硅(a-Si)太阳能电池，钙钛矿太阳能电池效率的提升速度惊人。一开始，其电池的光电转换效率只有3.8%，2014年初，韩国化学技术研究所（KRICT）将该效率提升到17.9%。2014年5月，加州大学洛杉矶分校(UCLA)的Yang等已经将此效率提升到19.3%。这种发展速度是前所未有的，值得研究者高度重视。图几种薄膜太阳能电池PCE近20年来的提升情况

近几年内,有机无机卤素钙钛矿太阳电池得到了快速的发展。但是,由于钙钛矿材料对水分敏感,易于降解,从而使得钙钛矿电池的稳定性较差。同时,由于材料中含有毒性元素Pb,在一定程度上限制了韩钛矿电池的发展。(1)设计幵发无Pb钙钛矿或者类钙钛矿光敏剂,从而降低环境污染;(2)电池的稳定性需要进一步提高;根据目前的研宄成果,有机-无机钙钛矿的热稳定急需解决,此外空穴传输材料及其添加剂的挥发性和稳定性也需要解决;使用碳背电极取代Au和Ag背电极也是有望解决其稳定性差和成本较高的非常有效的途径之一;(3)介观、超介观、平板钙钛矿电池结构和工作机理仍然需要深入研究;(4)有机-无机钙钛矿非常适合低温溶液法制备,因此幵发低温全溶液法制备有机-无机钙钛矿电池具有很好的前景;(5)可以通过优化各功能层(电子收集层、多孔层、钙钛矿层、碳层)的厚度,提高界面电子-空穴的提取效率,修饰器件的各个功能层使其能级更加匹配等方面,进一步提高基于碳背电极的PSCs的能量转化效率。参考文献[1]AKIHIROK,KENJIROTESHIMA,YASUOS,etal.Organometalhalideperovskitesasvisible-lightsensitizersforphotovoltaiccells[J].JAmChe