【钙钛矿太阳电池的组成及工作原理研究的文献综述3500字】

I钙钛矿太阳电池的组成及工作原理研究的文献综述2009年，在含有液态电解质的器件结构中人们取得3.8%的光电转换效率，这标志着首个钙钛矿太阳电池的诞生。但由于液态电解质对钙钛矿材料有着溶解腐蚀的作用，因此器件的稳定性较差。现如今的固态钙钛矿太阳电池结构是延续染料敏化电池结构而来，因此最为常见的钙钛矿器件结构中都含有二氧化钛（TiO2）材料。而在介孔结构器件中，TiO2材料最先是作为空穴阻挡层和支撑骨架层使用。当人们对钙钛矿材料的电子传输特性有了较深的理解之后，尤其认识到其具有较长的载流子寿命及扩散长度，人们开始使用平面异质节结构太阳电池，其中TiO2作为电子传输层使用。钙钛矿太阳电池中的光吸收层是由ABX3型的钙钛矿化合物组成，其中A一般为有机甲脒、甲胺或铯阳离子（HC(NH2)2+、CH3NH3+、Cs+），B一般是原子尺寸较大的铅或锡二价金属离子（Pb2+，Sn2+），X一般则为碘、溴或氯的卤素阴离子（I−，Br−，Cl−），而B与X离子形成正八面体对称结构，A离子则分布在八面体的中心与其他离子组成立方体ADDINNE.Ref.{A0D74B60-D33F-4205-A2D3-D8E2820C897F}[6]。除上述主要功能层外，钙钛矿太阳电池器件结构还包括透明导电掺氟（铟）的氧化锡玻璃衬底、空穴传输层、金属背电极。1.1钙钛矿材料的性质钙钛矿材料作为钙钛矿太阳电池中的光吸收层，是太阳电池中最重要的部分之一。其载流子迁移能力高，扩散长度长，带隙可调，热处理温度低，光电转换性能极佳。光入射到太阳电池中，激发出的电子部分定向移动形成电流，部分进入陷阱以热量形式损失，与硅基太阳电池需要900℃以上的高温处理相比，钙钛矿材料仅需要100℃便可去除绝大部分晶体缺陷。通过材料组分比例的变化可调节带隙宽度，提高光电转换效率。1.2电子传输层电子传输材料一般指的是能够接受带有负电荷的载流子并且传输带有负电荷载流子的材料。太阳电池的电子传输层一般选用n型氧化物半导体材料，具备较高电子亲和能和较高的离子势ADDINNE.Ref.{A9E140D1-9027-429B-A75B-8D5DF923D602}[7]。在选择电子传输层材料时，应与钙钛矿材料能级相匹配，同时电子传输层可与钙钛矿吸收层之间形成电子的选择性接触，传输电子载流子的同时可以阻挡空穴向阴极方向迁移，减少载流子复合ADDINNE.Ref.{D3D43EF4-2DAB-4B20-BBB1-9413754D2EB7}[8]。由于钙钛矿吸收材料拥有较好的传输载流子的能力，当前有很多研究者研究出无空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，并且在实验室的测试中所获得的电池光电转换效率也较佳。同时，一些研究者制作出无电子传输层的钙钛矿太阳电池，直接在导电玻璃的基底上制备CH3NH3PbI3太阳能电池，但最终获得的光电转换效率和填充因子分别只有1.8%和0.33，而在其他条件均相同的情况下，TiO2电子传输层的使用使得器件的最高效率可以达到13.7%ADDINNE.Ref.{9DF234CC-727B-4BFA-9183-DDAF08CB0B80}[9]。目前为止，常见的高效钙钛矿器件结构中均含有TiO2电子传输层。由此可见，在目前的研究阶段，电子传输层在钙钛矿太阳能电池中扮演着十分重要的位置。而电子传输层质量的提升是有有利于提高钙钛矿太阳电池的光电转换效率ADDINNE.Ref.{5EC4D0B4-F87F-41C1-B29B-30B815C27FAB}[10]。1.3空穴传输层钙钛矿太阳能电池中性能优秀的空穴传输层材料，需要满足与光吸收层价带能级相匹配、具有较高的空穴迁移率、稳定性强等特点。空穴高效的收集有利于提升太阳电池器件的性能。染料敏化太阳能电池中，空穴传输层多为I3−/1.4玻璃衬底在太阳能中，需要透明的导电玻璃衬底作为太阳电池的支撑结构。透明导电玻璃是在玻璃上镀膜而成，镀膜材料和方法有很多，但目前最常用的透明氧化物衬底有掺铟氧化锡（ITO）、掺氟的氧化锡（FTO）以及掺铝的氧化锌（AZO）等。ITO有着透光率、导电性高、镀膜不易脱落等特点，在太阳电池发展早期曾被大量应用。但是随着太阳电池技术的发展，对透明导电玻璃的光吸收性能提出了更高的要求，但ITO难以达成这一要求。而且使用的铟在自然界中的储量小，因此应用价格较高，这使得此目前ITO镀膜已经逐渐被其他材料所取代。FTO作为目前应用最广的玻璃衬底，具有成本较为低廉、易刻蚀等、光学性能优秀等特点，虽然其导电性与ITO相比较差，但依旧是目前应用最广的薄膜光伏电池基底。AZO具有成本低、易掺杂等特点，有着极大的发展潜力，但目前尚未解决工业化大规模镀膜问题，应用范围受限。除了现有的材料，还可以改变衬底的材料做出柔性太阳电池，柔性基底成本更低，质量更轻，在未来可穿戴设备中有巨大的应用潜力。1.5金属电极金属电极将载流子导出从而形成回路电流，为保证制备出的太阳电池器件的性能，多采用金银等导电性优良的金属。但是贵金属价格昂贵，难以在大规模工厂化制备中使用，目前科学家们正在积极探索其他金属，降低金属电极的成本，为新一代太阳电池的工业化打好基础。1.6工作原理太阳光入射到光吸收层后，光吸收层吸收光子，光子的能量使得束缚在原子核周围的电子激发，产生电子-空穴对。产生的电子和空穴分别通过电子传输层和空穴传输层，即电子从光吸收层被传输到电子传输层，空穴从光吸收层传输到空穴传输层。最后，电子通过FTO，空穴通过金属电极，二者连通成回路，通过连接FTO和金属电极的电路而产生光电流。在整个发电的过程中，不可避免地会伴随着一些载流子的损失，例如电子传输层的电子与光吸收层空穴的复合，在光吸收层不致密的情况下，电子传输层的电子也有可能会与空穴传输层的空穴复合，以及光吸收层的电子与空穴传输层的空穴的复合。为提升电池的光电转换效率，需要降低载流子复合，提高载流子迁移率。1.7性能参数太阳能电池的性能参数主要由开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子和光电转换效率等组成。这些参数可以用来表征太阳能电池的性能。（1）开路电压。指的是在标准光源下的照射下，太阳电池在无外接负载时输出的电压值，由伏安特性曲线可得，此时太阳电池的输出电流为零。半导体材料的费米能级是影响太阳电池开路电压的主要因素，而在钙钛矿太阳能电池中，影响开路电压的主要因素是钙钛矿材料的带隙宽度以及电池各层结构间的带隙补偿。（2）短路电流。指的是在标准光源照射下，输出短路时通过太阳能电池的电流值。短路电流等于光子转换成的电子-空穴对的绝对数量。短路电流的大小主要受到光吸收层在光源照射下吸收光子产生的载流子数量、寿命和传输路径的影响。（3）最大输出功率。在伏安特性曲线上，每一点都对应电池的一个不同的工作状态，此时的输出功率等于该点与坐标轴围成的矩形面积，矩形面积越大，输出功率越高，输出功率最高的点被称作太阳电池的最佳工作点，该点对应的电流和电压分别成为最佳工作电流、最佳工作电压和最大输出功率。（4）填充因子。最大功率点所对应的矩形面积与短路电流和开路电压所对应的矩形面积的比值，是用来评价太阳能电池性能优劣的重要参数。填充因子越大，表示太阳能电池的输出功率越大，伏安特性曲线越接近方形，其结二极管特性越好。（5）光电转换效率。太阳电池的有效功率输出与入射光功率之比，称为太阳电池的光电转换效率。太阳电池的光电转换效率是用来标准电池器件质量和技术水平的重要参数，电池本身的结构设计、材料选取、环境温度等多种因素都会对太阳电池的光电转换效率产生影响。参考文献[1] 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