《新能源材料与器件》课件-任务4 钙钛矿太阳能电池

模块二

太阳能电池材料与器件任务4钙钛矿太阳能电池知识目标:1.了解钙钛矿材料的基本特性，包括其结构、光电特性和稳定性等。2.掌握钙钛矿太阳能电池的工作原理，了解光伏效应和能量转换过程。能力目标:1.能够识别和解决在研究和实训过程中遇到的技术问题，培养实际操作能力；2.增强文献阅读和研究能力，能够跟踪前沿技术和发展动态。。

素质目标：

1.培养对新材料、新技术的探索精神，激发创新思维；2.培养环保意识，增强对可再生能源和可持续发展的关注，理解钙钛矿太阳能电池对环境的潜在影响。。

任务4钙钛矿太阳能电池钙钛矿太阳能电池钙钛矿太阳能电池1991年瑞士洛桑高等工业学院的Gratzel教授等在Nature上发表文章，提出了一种新型的以染料敏化TiO2纳米薄膜为光阳极的光伏电池，它是以羧酸联吡啶钌(Ⅱ)配合物为敏化染料。上世纪90年代，IBM华生研究中心DavidMitzi等人，首先开发了一类由胺类插层二价金属卤化物形成的钙钛矿型半导体，发现这种化合物可以兼顾无机半导体的高迁移率和有机物的可溶液加工性。2009年日本Miyasaka等首次将有机-无机卤化铅钙钛矿材料CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbI3作为敏化剂引入染料敏化太阳能电池，并分别获得了3.13%、3.81%的转换效率，自此拉开了人们对钙钛矿太阳能电池研究的序幕。钙钛矿太阳能电池发展史2011年，Park等以CH3NH3PbI3为光敏化剂制备了量子点敏化太阳能电池，取得了当时同类电池的最高效率6.54%。2012年，Park与Grätzel课题组合作，利用CH3NH3PbI3作为敏化剂，Spiro-OMeTAD(2，2'，7，7'-四［N，N'-二(4-甲氧基苯基)氨基］-9，9'螺二芴)作为空穴收集材料，制备出了光电转换效率达到9.7%的全固态太阳能电池。2013年，Grätzel等通过两步连续沉积法制得了效率高达15%的钙钛矿太阳能电池。这一成果对钙钛矿太阳能电池的发展来说无疑是具有里程碑意义的钙钛矿太阳能电池发展史我国钙钛矿太阳能电池发展现状钙钛矿太阳能电池之所以能够发展如此迅速与钙钛矿材料本身的光电特性是密不可分的。有机一无机杂化钙钛矿材料具有有机物的易合成、易加工性，同时具有无机物的机械稳定性和高效载流子传输性能，在光学、电学和磁学等方面具有优异的特征，并表现出广泛的应用前景。钙钛矿太阳能电池的主要组成部分：1、导电玻璃(基底)；2、电子传输层；3、吸光层；4、空穴传输层；5、背电极。理想的钙钛矿太阳能电池器件不仅需要光电性能优良的吸光材料，作为电池的组成部分----电子传输材料的作用也十分明显。钙钛矿太阳能电池组成部分钙钛矿是以俄罗斯矿物学家Perovski名字命名的，最初是指CaTiO3，后来经过不断发现和合成了更多相同结构的物质，便将结构形如ABX3的晶体材料统称为钙钛矿，CH3NH3PbI3就是其中之一。钙钛矿基本结构见图3-33，在CH3NH3PbI3中，A位对应CH3NH3+，B位对应Pb2+，X位对应I-。金属阳离子Pb2+和卤素阴离子I-在空间形成以Pb为中心I为角的PbI6正八面体结构，这些正八面体结构在三维空间中通过I延伸，而有机基团CH3NH3+就位于这些八面体之间的空隙当中。目前常用的空穴传输材料还有P3HT、PEDOT：PSS、CuSCN、CuI、NiO钙钛矿太阳能电池组成部分

钙钛矿太阳能电池的关键仍在于钙钛矿材料，除了钙钛矿材料本身的光电性能占主要原因外，钙钛矿材料的微观形貌也会对电池性能产生重大影响。比较理想的钙钛矿晶体薄膜微观形貌应该是致密，无针孔，晶粒尺寸均匀且较大（微米级）。这样规整的钙钛矿晶体会减少电子-空穴的复合，提高电池器件的光电性能。为了制备良好的钙钛矿晶体薄膜，研究人员尝试了很多方法来优化改进钙钛矿的合成。总的来说有溶液法、气相辅助法、双源气相沉积法等。钙钛矿膜的制备方法

溶液法主要是一步溶液法和两步溶液法。

虽然一步法制备CH3NH3PbI3操作简便，但是利用该方法获得的钙钛矿膜质量不易控制，成膜性差。两步法制备的钙钛矿膜显得更加致密，而且由测得的转换效率也表明两步法比一步法更优越（一步法平均效率7.5%，两步法平均效率13.9%）。

双源气相法制备的钙钛矿膜均匀致密，而溶液处理的钙钛矿膜分散不连续。其中气相沉积法获得的最好的电池效率达到15.4%，对应的短路电流21.5mA/cm2，开路电压1.07V，填充因子为0.68。但是双源气相法条件苛刻，很难大量用于钙钛矿太阳能电池的生产。

气相辅助溶液控制（VASP）的主要优势是增加了钙钛矿膜质量的可控性，该方法关键在于已经沉积好的无机材料PbI2与CH3NH3I的原位反应。这种方法制备的钙钛矿薄膜具有良好的反应动力学性质和热稳定性，图3-38中的微观形貌显示表明粗糙度低，表面覆盖完全。真空快速辅助溶剂挥发的方法，利用该方法获得了光滑，结晶度好，性能优良的大面积（>1cm2）的钙钛矿薄膜，见图3-40，。组装电池后获得最高的效率为20.5%，经过认证的也达到19.6%。而且这种方法制备器件重现性好，电池I-V曲线测试无迟滞。钙钛矿膜的制备方法钙钛矿膜太阳能电池原理和结构类型钙钛矿太阳能电池与染料敏华太阳能电池的机理类似，主要分为：1.吸收光子；2.产生激子；3.收集载流子；4.形成闭合回路；5.载流子复合。

由于光伏电池的效率受光照条件影响比较大，为了使不同光伏电池之间具有可比性，必须要有一个标准的工作测试条件。光伏电池的标准测试条件（Standardtestcondition，STC）为：大气质量AM1.5G，辐照度1000W/m2，温度25±1℃。电流----电压曲线进行分析，主要的参数如下：①开路电压（open-circuitphotovoltage，Voc）在钙钛矿电池器件中，器件的开路电压与不同的器件结构类型有关。开路电压的定义就是电池器件处于开路状态时候，电池两端的光生电压。它一般与电池中光吸收层的能级有关。②短路电流（short-circuitphotocurrent，Jsc）短路电流密度是太阳能电池的重要指标，它的定义是电池器件处于短路状态时候，单位面积产生的光生电流。它与电池的光吸收层厚度、电池界面的形貌、载流子迁移率和激子有效分离程度等因素有关，而钙钛矿电池的短路电流密度和钙钛矿的厚度、质量密切相关，因此提高钙钛矿的厚度、质量，对于提高钙钛矿电池的短路电流密度是极其重要的。

钙钛矿膜太阳能电池原理和结构类型太阳能光热发电

目前太阳能发电主流技术包括：光伏发电和光热发电。

光伏发电的主流技术是多晶硅太阳能发电技术，其光电转化效率一般都在8%~15%之间，其转化效率衰减快，一般3至5年就衰减到5%至8%而且多晶硅生产过程本身就是一个高污染、高排放、高耗能的过程，对环境不友好。

光热发电的原理是，通过反射镜将太阳光汇聚到太阳能收集装置，利用太阳能加热收集装置内的传热介质（液体或气体），再加热水形成蒸汽带动或者直接带动发电机发电。按照聚光器形式的不同，目前应用最多的太阳能热发电技术分别为槽式、塔式和碟式三种。

槽式太阳能热发电系统是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列，加热工质，产生高温蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电。其阵列实物见图3-46。设备结构简单、而且安装方便，整体使用寿命可达20年。在国外美国上世纪已经建成354兆瓦，西班牙已经建成50兆瓦。该系统使用了真空集热管技术，这种技术难度较大且易损耗，所以电站维护所需资金较多，而且在国内在生产这种集热管技术上仍有一定的困难。

塔式系统是在很大面积的场地上装有许多台大型太阳能反射镜，每台都各自配有跟踪机构准确的将太阳光反射集中到一个高塔顶部的接受器上，接受器上的聚光倍率可超过1000倍。

塔式系统发电的基本工作原理：首先太阳能集热装置收集到的太阳能转化成热能，再将热量传输给液态水，加热液态水使之变成高温蒸汽，再由高温蒸汽驱动汽轮机发电机组发电。

碟式光