【钙钛矿太阳能电池的发展历程综述1500字】

钙钛矿太阳能电池的发展历程综述能源是人类社会生存和赖以发展的物质基础。目前，化石能源是人类消耗的主要能源，但是随着人类的不断开采，化石能源不可避免的面临枯竭。发展绿色可再生能源是人类发展的必然要求。在水能、风能、地热能、海洋能和生物能当中，太阳能凭借其取之不尽、用之不竭以及环境友好等特点引起人们广泛关注。在各种太阳能利用转换技术中，太阳能电池是研究热点之一。相较于第一代硅基太阳能电池和第二代化合物太阳能电池相比，第三代薄膜太阳能电池具有成本低、制作简单、效率高等优点。第三代太阳能电池主要包括聚合物太阳能电池(OPV)和钙钛矿太阳能电池(PSCs)。钙钛矿太阳能电池因可溶液加工、高效率和兼具柔性化等优点，成为光伏领域研究重点。《科学》杂志曾评选钙钛矿太阳能电池作为2013年度十大突破之一。研究人员不断改进钙钛矿薄膜制备工艺、钝化工程、调节钙钛矿材料组分、界面工程、优化器件结构等策略，使得钙钛矿太阳能电池的光电转化效率（PCE）从最初的3.8%飞速突破到如今的25.2%。[1-5]起初，钙钛矿是由俄罗斯地质学家LevPerovski发现并以他名字命名的。最早的钙钛矿材料指钙和钛的复合氧化物（CaTiO3）。到现在，钙钛矿并不单特指这种钙钛复合氧化物，而用来泛指一系列具有ABX3化学式的化合物。A是无机物或有机物阳离子，如Cs+、MA+、HC(NH2)2+或CH3NH3+；B是Pb2+或Sn2+；X是Cl-、Br-或I-。图1-1所示是典型的甲基卤化铵(CH3NH3PbI3)的钙钛矿结构。甲基铵阳离子（CH3NH3+）占据中心A，CH3NH3+被正PbI6八面体围绕。图1-1CH3NH3PbI3的钙钛矿结构，CH3NH3+被正PbI6八面体围绕。[6]Fig.1-1StructureofCH3NH3PbI3perovskites.Methylammoniumcations(CH3NH3+)issurroundedbyPbI6octahedra.[6]钙钛矿材料优异的光电特性引起研究人员的广泛关注。1892年，美国科学家H.L.Wells第一次在实验室合成了基于CsPbX3的钙钛矿物质。1978年，德国科学家D.Weber首次把CH3NH3+应用到钙钛矿中，制备出新型有机-无机钙钛矿材料。2009年，日本科学家TsutomuMiyasaka首次将有机-无机钙钛矿CH3NH3PbBr3做为吸光层应用到染料敏化电池(DSSCs),基于CH3NH3PbI3的器件的太阳能转换效率为3.8%，而基于CH3NH3PbBr3的电池器件可获得0.96V的高开路电压。[7]2012年，韩国科学家Park和瑞士科学家Gratzel首次将Spiro-MeOTAD作为空穴传输层应用到以CH3NH3PbI3钙钛矿纳米晶为衬底的新型固体介观太阳能电池器件光电转换效率高达9.7%。图1-2所示为Park等人首次用固态的空穴传输材料Spiro-MeOTAD取代液态电解质作为传输空穴的材料。[8]至此以后，钙钛矿太阳能电池得到飞速发展。目前，经过科研人员的不断努力，如图所示1-3，钙钛矿太阳能电池的效率已达到25.5%。[9]图1-2钙钛矿太阳能电池器件及其扫描电镜截面：(a)器件数码照片，(b)器件的横截面结构(c)器件的横截面扫描电镜图像，(d)活性层下层FTO界面结结构。Figure1-2.Solid-statedeviceanditscross-sectionalmeso-structure.(a)Digitalphotoofaperovskitesolarcell.(b)Cross-sectionalstructureofthedevice.(c)Cross-sectionalSEMimageofthePSCs.(d)Activelayer-underlayer-FTOinterfacialjunctionstructure.图1-3过去四十年各种太阳能电池器件的效率发展图，橙色为钙钛矿电池。Figure1-3Diagramoftheefficiencydevelopmentofvarioussolarcelldevicesoverthepast40years.Theorangeisperovskitesolarcell.参考文献[1]D.J.Kubicki,D.Prochowicz,AHofstetter,P.Pechy,S.M.Zakeeruddin,M.Gratzel,L.Emsley,PhaseSegregationinCs,RbandK-dopedmixed-cation(MA)X(FA)(1-X)PbI3hybridperovskitesfromsolid-stateNMR,J.Am.Chem.Soc.20139(2017)14173-14180.[2]M.I.Saidaminov,J.Kim,A.Jain,R.Q.Bermudez,H.Tan,G.Long,F.Tan,A.Johnston,Y.Zhao,O.Voznyy,E.H.Sargent,Suppressionofatomicvacanciesviaincorporationofisovalentsmallionstoincreasethestabilityofhalideperovskitesolarcellsinambientair,Nat.Energy3(2018)648-654.[3]H.Mohammad,H,Aswin,Q.Wayesh,S.Porponth,K.Makoto,S.Alberto,K.Dietma,TYuen,Opticsofperovskitesolarcellfrontcontacts,ACSAppl.Mater.Interfaces11(2019)14693-14701.[4]Q.H.Wei,Y.Shuang,W.Yun,C.Xiao,W.T.Yu,T.L.Juan,C.lin,H,Yu,Z.jun,Y.H.Gui,Agradientheterostructurebasedontolerancefactorinhigh-performanceperovskitesolarcellswith0.84fillfactor,Adv.Mater31(2019)1804217.1.[5]T.Shu,L.Ying,X.Hao,Q.Shuai,S.Tao,Sun.Baoquan,Ultrastableandreversiblefluorescentperovskitefilmsusedforflexibleinstantaneousdisplay,Adv.Funct.Mater.29(2019)1900730.1.[6]C.Eames,J.M.Frost,P.R.F.Barnes,B.C.Regan,A.Walsh,M.S.Islam,Ionictransportinhybridleadiodideperovskitesolarcells,Nat.Commun.6(2015)7497-7485.[7]A.Kojima,K.Teshima,Y.Shirai,T.Miyasaka,Organometalhalideperovskitesasvisible-lightsensitizersforphotovoltaiccells,J.Am.Chem.Soc.17(2009)6050-6051.[8]H.SKim,C.R.Lee,J.H.Im,K.B.Lee,T.Moehl,A.Marchioro,S.J.Moon,R.H.Baker,J.H.Yum,J.E.Moser,M.Gratzel,N.GPark,Leadiodideperovskitesensitizedall-solid-statesubmicronthinfilmmesoscopicsolarcellwithefficiencyexceeding9%,Sci.Rep.2(2012)591-598.[9]/ncpv/images/efficiency.[10]J.Ali,Y.Li,P.Gao,T.Hao,J.Song,Q.Zhang,L.Zhu,J.Wang,W.Feng,H.Hu,F.Liu,Interfacialandstructuralmodificationsinperovskitesolarcells,Nanoscale12(2020)5719–5745.[11]X.Jiang,Y.Xiong,A.Mei,Y.Rong,Y.Hu,L.Hong,Y.Jin,Q.Liu,H.Han,Efficientcompact-layer-free,hole-conductor-free,fullyprintablemesoscopicperovskitesolarcell,J.Phys.Chem.Lett.7(2016)4142−4146.[12]M.Cheng,Y.Li,M.Safdari.Solarcells:efficientperovskitesolarcellsbasedonasolutionprocessablenickel(II)phthalocyanineandvanadiumoxideintegratedholetransportlayer.Adv.Energy.Mater,7(2017)1602556.[13]Y.Dou,D.Wang,G.Li,TowardHighlyReproducible,EfficientandstableperovskitesolarcellsviainterfaceengineeringwithCoOnanoplates.ACSAppl.Mater.Interfaces35(2019)32159-32168.[14]F.Xie,C.C.Chen,Y.Wu,Verticalrecrystallizationforhighlyefficientandstableformamidinium-basedinverted-structureperovskitesolarcells