钙钛矿型太阳能电池

使用室温溶液处理技术制备平面异质结构的钙钛矿型太阳能电池——Dianyi Liu 和 Timothy L. Kelly

结合了介孔支架,钙钛矿光吸收剂和有机空穴传输的有机-无机杂化太阳能电池已经处于可加工光伏器件的前列;然而,它们需要经过500℃的高温烧结来形成介孔金属氧化物结构。在这里,我们报告在以CH3NH3PbI3为基的太阳能电池中使用氧化锌纳米薄膜作为电子传递层;与之相比介孔二氧化钛和氧化锌层是更薄且不需要经过烧结处理。我们利用这些特点制造光电转换效率超过10%的弹性太阳能电池。ZnO的使用也能够改进装置提高在刚性衬底上制备的电池性能。当测量的光照度在AM1.5G以下时，在此基础上设计的太阳能电池将展示出高达15.7%的光电转换效率,这是报道过的钙钛矿型太阳能电池中最高的了。

溶液加工太阳能电池方面的研究使得在有机和混合光伏器件的发展取得实质性进展，其具有的光电转换效率现在经常接近或超过10％。这一进展已带动用于有机太阳能电池设备的新型电子供体材料（包括聚合物和小分子发色团）的合成，和制备用于染料敏化纳米晶体太阳能电池的新染料和氧化还原介质。尽管取得了这些进步，无论是有机太阳能电池设备的效率和染料敏化纳米晶体太阳能电池设备都被分离束缚激子或电子转移过程所需的驱动力损耗给限制了。一种令人兴奋的可替代这些传统设备架构是的有机 - 无机杂化设备利用钙钛矿类材料作为光吸收组件。早期的工作使用非常小的CH3NH3PbI3纳米粒子来敏化二氧化钛,和生产 3 - 4 % 的PCEs;然而,此后电池设计方面的发展使得转换效率有了非常迅速的进步。以介孔二氧化钛支架为基的先进钙钛矿型太阳能电池,CH3NH3PbI3 光吸收层和2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴空穴传输层取得高达15.0%的PCEs,还有一些报道认为太阳能电池的转换效率高达20%是可以实现的。

目前,大多数先进的钙钛矿型设备利用介孔金属氧化物支架提供了一个可以让CH3NH3PbI3光吸收体成长的多孔衬底。除了支持结构导向,二氧化钛支架还负责接收和运输电子到电极表面。尽管与传统上的使用液体电解质染料敏化太阳能电池(350 nm -10 um在传统的染料敏化太阳能电池中)的介孔二氧化钛薄膜相比,这些层比较薄,尽管如此,实际上比通常用于反向太阳能带电池设备(40 nm)的电子传递层厚;此外,介孔薄膜需要在450 - 550 ℃之前烧结使用,使得它们与柔性衬板格格不入。最近Snaith和他的同事们证明可以保持高转换效率的钙钛矿型设备维护或使用绝缘氧化铝替代二氧化钛介孔支架可进一步改进,氧化铝矩阵构

造可以在比所需的介孔二氧化钛较低的温度(110 - 150 ℃)进行。进一步研究表明钙钛矿型太阳能电池可以在缺乏介孔基质的条件下通过使用气相沉积工艺达到15.4%的转换效率,并且通过这种方案已经获得了高达11.4%的效率。出于进一步简化钙钛矿型太阳能电池工序的欲望,我们研究替代介孔二氧化钛和氧化铝支架和先前报告的气相沉积方法使用基于氧化锌纳米颗粒的相对紧凑的电子传递层。氧化锌具有大大高于二氧化钛电子迁移率,使它成为与电子传递层接触的理想选择。此外,氧化锌纳米颗粒层可以很容易通过旋转涂布沉积并且不需要经过加热或烧结步骤,使得它适合在热敏基体上沉积。在此基础上设计的设备表现非常好,PCEs达到15.7%时,照明和测试达到AM1.5G标准条件。通过这种方法也可以灵活准备设备,并显示超过10%的PCEs。氧化锌层的处理加工很简单,可以在室温下有效进行,使它比其他使用介孔支架或气相沉积技术的电池元设计有很大的优势。

氧化锌纳米颗粒可以通过的乙酸锌在甲醇中的水解作用用于电子传递层的制造。这个过程产生的纳米晶体直径约5nm,是由透射电子显微镜所决定的。纳米粒子容易分散在没有添加的表面活性剂或粘合剂的丁醇/氯仿混合物中;正因如此,自旋涂在氧化铟锡(ITO)衬底上,不需要经过煅烧或烧结步骤。这个过程会产生一个相对紧凑的氧化锌层,它的厚度可以通过旋转涂层多次被系统的改变。两步处理法用于生长CH3NH3PbI3层。这包括旋转涂一层PbI2在氧化锌表面,其次是浸衬底的CH3NH3I的解决方案。随后的设备效率被发现随CH3NH3I浓度、温度解决方案、浸渍时间和关注是确保复制尽可能一致处理条件。旋转涂布的spiro-OMeTAD，空穴传输材料和期间结构完全接触的Ag热蒸发(图1)。

CH3NH3PbI3钙钛矿是具有良好的载流子迁移率的低能带半导体,基于各种设备组件的相对能级(图1 b),CH3NH3PbI3层中生成的自由电荷载体(或激子)可以通过电子转移到氧化锌层下,或通过空穴转移到spiro-OMeTAD空穴传输材料中。考虑到氧化锌层和spiro-OMeTAD层的高度选择性,这可以预期将导致高效设备具有良好的填充因子。

探讨氧化锌层厚度对器件性能的影响,设备用来旋转涂布零,一,三,五和八层氧化锌纳米颗粒(表1),这产生了电子传递层厚度变化从0到70nm。从数据可以看出,一个高效的电子传递层的存在对于获得高性能的设备是至关重要的。如果没有氧化锌层,填充因子和开路电压(Voc)将会非常低,因为增加的复合ITO表面和相对低的分流电阻。合并一个很薄(10 nm)的氧化锌层到设备中大幅度提高了开路电压（Voc）和填充因数,氧化锌厚度25 nm,取得了超过14%的PCEs。进一步增加氧化锌层的厚度将不会对设备的性能有任何改进。

为了确保结果的再现性,使用优化的氧化锌厚度25nm超过100个独立的设备制造和测试。电池性能的直方图如特征图2所示,平均设备参数表在补充表1。从结果可以看出,设备表现非常好。开路电压（Voc）的值是高度可再生的且超过1.0 V,平均短路电流密度(Jsc)是近20 mA /cm2。再加上非常良好的填充因子(>70%),这就造成了一种平均13.7%的PCE。设备制造过程的可再现性(PCE的相对标准偏差为7.6%）和极好的的PCEs是非常令人鼓舞。显然,我们的研究结果和刘等人都指出对于生产高性能的电池用于其他设备生产架构的介孔支架是多余的。此外,不仅是报道的平均PCE(13.7%)显著高于在文献报道的方案处理型平面设备的等效平均PCE(≤9%),但也很明显甚至高于那些利用高真空度气相沉积技术构造的

设备(12.3%)。

性能最好的设备电压-电流(J-V)特点和太阳能电池量子效率(IPCE)光谱如图3所示。从J-V曲线测量标准照明AM1.5G条件下，Jsc、Voc、填充因子和PCE 分别是20.4 mA /cm2,1.03 V,74.9%和15.7%。非常高的PCE15.7%使这个设备成为到目前为止报道的性能最好的方案处理型设备,这是特别非凡的在缺乏完整的介孔支架和任何高温处理步骤的情况下。IPCE光谱给出了基于CH3NH3PbI3的高性能设备预期的行为。光电流从800nm开始与报道的CH3NH3PbI3能带隙一致,并且从几乎整个光谱(360 - 750 nm)获得的75 - 80%效率凸显出了设备的卓越性能。根据有代表性的CH3NH3PbI3薄膜吸收光谱(补充图2),设备的吸光效率估计大于95%低于650nm和～85%从650到750nm,这意味着高的内部量子效率(光电吸收转换效率)。集成的产品AM1.5G光子通量与IPCE光谱收益率预测Jsc 为19.4 mA /cm2,这是符合20.4 mA /cm2的测量值。

ITO /氧化锌/ CH3NH3PbI3 / spiro-OMeTAD / Ag设备中观察到的高性能的起源通过了解各层的形态设备堆栈进一步研究。尽管光的相对比例自由载荷子与激子是未知的,之前报告提出充电提取和激子解离主要发生在介孔二氧化钛/ CH3NH3PbI3界面。然而,当前利用研究中的氧化锌纳米颗粒膜是相当紧凑,表面粗糙度和孔隙度在扫描电子显微镜可见(SEM,见下补充图。3)。因此,这个研究中准备的电池更类似于刘等人的,紧凑二氧化钛层用于电子选择性接触;在这些电池中,电子选择性接触和钙钛矿吸收器间有非常有限的界面面积。考虑到高效率设备和刘等人的平面异质结构,在氧化锌/ CH3NH3PbI3界面的载流子收集显然并不限制总体光电流。在平面异质结构中,这可以理解以混合卤化物CH3NH3PbI3-xClx钙钛矿采用很长的电子空穴的扩散长度(大约1um)为基础;随着扩散长度远远大于该材料的吸收程度，平面异质结结构不对PCE产生不利影响。与此相反，对于纯碘化物系钙钛矿，在目前的研究中电子 - 空穴扩散长度只有大约100nm的数量级（文献35,36），这是基本上低于CH3NH3PbI3膜的厚度（～300nm）。因此，钙钛矿和吸材料之间的界面表面积具有相当大的重要性。ITO/ZnO/CH3NH3PbI3层的表面示于图4，它展示了不存在碘化铅前驱膜中的CH3NH3PbI3大微晶（100-1000 nm）的形成（补充图4）。

我们建议在无介孔支架时，在CH3NH3I溶液中的碘化铅涂覆膜材料的的浸渍过程中钙钛矿晶体生长时相对不受约束。这是通过粉末X-射线衍射测量的数据一致（附图5）。该数据与CH3NH3PbI3的四方相一致（参考文献34 ），并且最重要的是相对清晰峰是表示所述大晶粒尺寸的。通过Debye–Scherrer方程计算出半峰宽度最大值为75nm ，估计微晶尺寸。鉴于以此表示下界微晶尺寸，该数据是相当合理的与在SEM图像中观察到的更小的颗粒一致。微晶尺寸的增加导致CH3NH3PbI3/spiro-OMeTAD界面高度粗糙;重要的是，微晶大小与在CH3NH3PbI3 中的电子 - 空穴的扩散长度相一致，并由此保证从钙钛矿薄膜中提取载波的高水平。大晶粒尺寸也可用作提高CH3NH3PbI3层内的载流子迁移和减少缺陷和陷阱状态的重组。这些因素的影响，至少部分解释了在本研究中的高Jsc值和填充因子，但是，为了达到非常高的JSC值的高性能电池（ >20 mA/ cm2），额外的因素也必须考虑。以前报告以CH3NH3PbI3为基础的电池都专注于使用紧凑型二氧化钛电子传输层，然而，许多研究表明ZnO具有比二氧化钛还要高的电子迁移率。更高的电子迁移率有助于观察到Jsc值得增长。此外，从CH3NH3PbI3层表面观察到的大晶粒表现为入射光的散射中心，有效地重新引导它的离位从而提高了装置的有效光路长度。在补充图2中的子带隙波长（800 nm）的非零吸光度的是从CH3NH3PbI3膜散射出去的一致。所有这些因素的出现（有效载流子收集和激子解离，改善电子传输层的移动性和光散射的广泛性）可能导致被观察到的高光电流产生。

使用氧化锌纳米颗粒层的一种主要优点是烧结或退火步骤是不必要的。另一个主要制造工序（碘化铅的旋涂，CH3NH3I溶液的吸收和spiro-OMeTAD的旋涂涂布）也可以在室温下通过溶液加工技术完成。这意味着这种制造工艺是在柔性衬底上编制设备的理想工艺。因此，在ITO/玻璃基板被ITO/poly（对苯二甲

酸乙二醇酯）（PET）薄膜代替，并且一些设备使用相同的制备工序。此研究的结果由图5表示。

由图5可以看出在ITO / PET基板的装置表现还算不错。柔性基板上最高性能设备的J- V曲线由图5a表示，这产生一个1.03 V的Voc， 13.4mA /cm2的Jsc，一个73.9 ％的填充系数和10.2％的PCE。虽然比ITO /玻璃基板的设备效率低（要是因为较低的Jsc），设备灵活性和PCE>10％的成功结合是非常有前途的。一些对于较低的Jsc了解可以从IPCE光谱（图5b）来获得。相反在刚性基板上可以观察到的广阔平坦的IPCE光谱（图3b），制作在PET显示装置的IPCE光谱在450 nm处的宽峰具有明显的峰宽在680nm处。这导致光电流中在500-800 nm范围内的一个重大损失，相对于该玻璃设备的制造。弯曲试验表明，该设备表现良好，即使被反复弯曲以减小曲率半径后（图5d）。我们的曲率半径减小到一点其中ITO / PET基材再也无法恢复其形状并且观察到小于15％的效率下降。重要的是我们的结果表明该装置的灵活性受到ITO / PET基底的灵活性限制，而不是由钙钛矿层的。因此，虽然在柔性器件具有比硬质基板更低的效率，这是一个有机-无机杂化太阳能电池重要进步阶段。灵活的设备可用于多种特别有吸引力消费品，如发电面料，服装和纺织品。据我们所知，只有一个关于灵活的钙钛矿型太阳能电池的其他报告，并且没有关于超过10％的PCE柔性钙钛矿设备的报道。

我们已经为CH3NH3PbI3基太阳能电池开发了氧化锌纳米电子传递层,证明介孔支架或任何高温处理步骤都不需要用来实现高达15.7%的PCEs。这估计是为那些设备大大简化设备制造过程,但同时保持或提高设备已经很高的效率。这些电池的高绩效似乎从不受缺乏介孔支架的无约束晶粒生长所影响。CH3NH3PbI3的大晶粒导致高度有序CH3NH3PbI3/spiro-OMeTAD界面，且与电子空穴的扩散长度相一致。晶粒也作为高效率的光散射中心，从而增加了该装置的有效光路长度。这些效果的组合导致Jsc的值大于20 mA /cm2。柔性设备 ITO/ PET基底也可以通过这个途径制备，并显示超过10％的PCE。容易制造，室温处理，高性能设备和设备灵活性都有望帮助推动这些有机-无机杂化太阳能电池的商业化。

研究方法

合成氧化锌纳米粒子：纳米ZnO是按照文章32，33中的文献准备的。乙酸锌二水合物（2.95克，13.4摩尔质量）溶解在甲醇（125ml）65℃下搅拌。15分钟内KOH 溶液（65毫升）（1.48克，23摩尔质量）在60-65℃下逐滴加入（1.48克，23摩尔

质量）甲醇溶液中。该反应混合物在65℃搅拌2.5小时。冷却至室温后，将上清

液倒出，沉淀用甲醇洗涤两次（20毫升）中。加入正丁醇（70毫升），甲醇（5毫升）和氯仿（5ml）来分散沉淀物，并产生6 mg /ml的ZnO纳米颗粒溶液。在使用前，通过0.45毫米的PVDF针筒过滤器过滤ZnO纳米颗粒溶液。

太阳能电池的制造：太阳能电池制造于预清洗过的ITO膜的玻璃基板，使用的是20 V/ sq的薄层电阻。首先，30秒内ZnO纳米颗粒薄层以3,000 rpm旋涂到基材上。该程序是重复三次，以获得连续光滑的膜。碘化铅溶液（溶解在460 mg/ ml 浓度的N，N -二甲基甲酰胺），接着以3000 rpm转涂在ZnO层的顶部30秒。在空气中干燥几分钟后，将衬底浸入到CH3NH3I中的2 - 丙醇（10mg/ml）溶液40秒，然后在清洁的空气下干燥。接着，spiro-OMeTAD基空穴传输层（80mgspiro-OMeTAD，28.5 ml四-叔丁基吡啶和17.5ml锂-钾酰亚胺溶液（520mg 锂-钾酰亚胺在1ml乙腈）全部溶解于1ml氯苯在4000rpm转数被沉积通过旋涂30秒。最后，一个150nm厚的银层，在2×10^-6mbar的基本压力下通过热蒸发沉积。该完成装置被存储在一个氮气氛手套箱中（<0.1 ppm的O2和H2O ）。

器件特性：测定太阳能电池的电流-电压曲线内部采用吉时利2400源测量单元的手套箱。将电池由一个装有AM1.5G过滤器450瓦AAA级太阳模拟器照射（Sol3A，奥丽尔仪器）在100mW/cm-2校准强度，通过一个标准的硅引用单元格（91150V，奥丽尔仪器）。电池的有效面积被定义为使用非反射金属掩模0.07065cm2。使用商业IPCE设置（QE-PV-硅，奥丽尔测定空气中工具）测得IPCE谱。单色的光被截断在8赫兹的频率下用锁相放大器测量光电流。

改善空穴界面层使平面钙钛矿太阳能电池的效率提高

改善平面钙钛矿太阳能电池的空穴界面层使效率得到提高 摘要：平面结构被证明是有效率的，且便于制造的溶液处理的钙钛矿太阳能电池(PSCs)。有机金属卤化物薄膜的界面控制和晶体薄膜生长，已经被视为获得高性能的PSCs的最主要的因素。在这里，我们介绍了一种溶液处理的PEDOT:PSS-GeO2复合膜，它通过将GeO2的水溶液复合到PEDOT:PSS的水分散体中作为平面PSCs的空穴传输层。PEDOT:PSS-GeO2复合膜界面，除了高导电性、环境稳定性等优点外，所形成的岛状GeO2粒子成为退火时钙钛矿薄膜的晶核生长位点。通过种子调解GeO2粒子，获得大规模区域和薄膜均匀的优良CH3NH3PbI3-x Cl x结晶薄膜。PSC器件是以PEDOT:PSS-GeO2复合膜作为空穴传输层（HYL），得到了最佳性能器件的PCE为15.15%，填充因子(FF)为74%。与原始的PEDOT:PSS型器件相比，PCE从9.87%增加到13.54%（120个器件的平均值），显著地提高了约37%。 关键词：钙钛矿太阳能；空穴界面层；溶液处理的GeO2纳米粒子 1.引言 最近，因为钙钛矿材料拥有卓越的光电特性，钙钛矿太阳能电池(PSCs)的研究取得了显著的进步[1-4]，特别是它在可见光区的强吸收[5,6]和长的载流子扩散长度[7-10]被广为关注。在过去的五年里，光电转换效率(PCE)从不足4%提高到约20.1%（已经被证明）[11-19]。最初，Kojima等人采用烷基铵金属三卤化物作为吸收剂，制作的液体电解质敏化太阳能电池的PCE只有3.8%[11]。随后，基于TiO2和Al2O3支架的固态结构被提出并被成功应用，使PCE超过了10%[20,21]。后来，小分子的Spiro-OMeTAD被用作空穴传输层，很快地将PCE提高到超过15%[22-27]。 最近，基于平面结构的钙钛矿太阳能电池通过携带可控制的界面工程，已经被证明效率超过了10%[28-34]。可以发现，平面结构也能促进制造简易的低温和溶液处理的PSCs。这意味着，平面结构PSCs能被用于降低先前是PSC结构的TiO2和Al2O3介孔支架的复杂过程[20,23]。至今，最多的研究聚焦于钙钛矿薄膜处理和相关的材料设计。事实上，在典型的平面PSCs中，钙钛矿光吸收层夹在空穴和电子传输层之间[33]。因此，为了获得和PCE的电池，操控整个钙钛矿太阳能电

钙钛矿太阳能电池的光物理原理

钙钛矿太阳能电池的光物理原理 钙钛矿太阳能电池的光物理 溶液制备法制备的有机-无机杂化钙钛矿型太阳能电池，是光伏领域的一种新型太阳能电池新型材料，其光电转换效率已经超过17%，并且在该领域产生了巨大影响。这篇文章中，在这类新的光伏材料中，关于载流子动力学和电荷转移机制中的光物理和新的发现，进行了检验和提炼。一些开放性物理问题也将被讨论。 关键词：甲基氨碘化铅，钙钛矿型太阳能电池，光物理，瞬态吸收光谱，电荷动力学，电荷转移机制 有机无机杂化钙钛矿型太阳能电池（或简单的钙钛矿型太阳能电池）是在低成本光电池的研究中的最主要的突破。在这大约5年的期间里，这些溶液加工制备的太阳能电池成为第三代太阳能电池的先驱，比如有机太阳能电池，染料敏化太阳能电池，量子点太阳能电池。尽管，在最近举行的材料研究学会2014春季会议报告中声称，电池的转化效率已经达到了19.3%，但是到目前为止，能够证明确定的记录是17.9%，而在2009年，这个记录只有3.8%。相比较而言，染料敏化太阳能电池需要二十多年的研究才超过10%的转化效率。尽管在器件性能的显著增加，但钙钛矿型太阳能电池中的光物理机制仍然是不明确的。在本文中，我将首先简要地回顾了目前的钙钛矿型太阳能电池领域的进展，然后追踪一下光物理研究的发展。我还会强调一下钙钛矿中电子和空穴的扩散长度，CH3NH3PbI3的热空穴冷却动力学 和放大自发辐射的发现。最后，在这些材料中，一些关于光物理的问题也会进行讨论。 2.有机无机钙钛矿太阳能电池 2.1 三维的有机无机钙钛矿电池的结构 钙钛矿是一般化学式为AMX3 化合物的总称。A阳离子在立方晶胞的8个角上，M阳离子被6个X阴离子包围，位于[PbI6]4- 八面体的中心。如图1，CH3NH3PbI3情况。尽管钛酸钙的通用名称有着相同的“钙钛矿”标签，但有机无机钙钛矿材料与他们同名仅仅是因为他们的结构。在纳米科学发展的19世纪80年代，这类杂化材料能够形成三维（3D）到零维（0-D）与[PbI6]4- 八面体单元的类似物，直到把晶胞已作为广泛应用在半导体介观量子限制效应模型而深入研究。CH3NH3PbX3 （其中x是Cl，Br，I）是广泛调查的光伏材料的选择，这个材料由3D八面体网状结构形成。 2.2该领域和基本器件结构的概述

浅谈钙钛矿太阳能电池技术与发展

浅谈钙钛矿太阳能电池技术与进展 全华锋BY619102 摘要：基于钙钛矿材料(CH3NH3PbI)制备的太阳能电池的效率由2009年的3.8%增长到了目前的20.2%，因为其较高的光吸收系数，较低的成本以及易于制备等优势引起了广泛的关注。钙钛矿材料不仅可以作为光吸收层，还可以作为电子传输层(ETM)和空穴传输层(HTM)，由此可以制备不同结构的钙钛矿太阳电池：介孔结构、介观超结构、平面结构和有机结构等。除此之外，钙钛矿材料的制备方法的多样性也使其更具吸引力，目前已有一步溶液法、两步连续沉积法、双源共蒸发法和溶液—气相沉积法。本文主要介绍钙钛矿太阳电池的发展历程、工作原理、薄膜的制备方法以及各层的作用，最后对钙钛矿太阳电池面临的问题和发展前景进行介绍。 关键词：钙钛矿材料；太阳电池；光吸收层 1.钙钛矿太阳电池的发展历程 随着人类社会的不断发展与进步，由工业发展带来的能源和环境问题日益明显，化石燃料（石油、煤炭、天然气等）的有限储量及其燃烧带来的全球变暖问题使人们不得不去寻找和开发环保且可再生的新型能源。太阳能来源丰富，取之不尽，用之不竭，而且太阳能绿色环保无污染，是未来有希望获得大规模应用的新能源之一，受到国际社会的广泛关注与研究。将太阳能转换为电能的重要器件之一就是太阳电池。 2009年，日本人Kojim等首先将有机-无机杂化的钙钛矿材料应用到量子点敏化太阳电池中，制备出第一块钙钛矿太阳电池，并实现了 3.8%的效率。但这种钙钛矿材料在液态电介质中很容易溶解，该电池仅仅存在了几分钟级宣告失败，随后，Park等人于2011年将CH3NH3PbI纳米晶粒改为2-3nm，效率达到了6.5%。由于仍然采用液态电解质，仅仅经过10min，电池效率就衰减了80%。为解决钙钛矿的稳定性问题，2012年Kim等人将一种固态空穴传输材料(spiro-OMeTAD)引入到钙钛矿太阳电池中，制备出第一块全固态钙钛矿太阳电池，电池效率达到了9.7%。即使未经封装，电池在经过500小时后，效率衰减很小。空穴传输层(HTM)的使用，初步解决了液态电解质钙钛矿太阳电池不稳定和封装困难的问题。随后Snaith等首次将Cl元素引入到钙钛矿中，并使用Al2O3代替TiO2,证明钙钛

(完整版)钙钛矿太阳能电池研究综述

钙钛矿太阳能电池 引言 21世纪以来，人口急剧增长，能源和环境问题日益明显。目前，人们主要消耗的是不可再生能源，例如煤、天然气、石油等化石燃料。而未来人类还需大量的能源，故人类正在积极开发新能源。 而太阳能具有清洁、无污染、分布广并且能量充分，是目前广大科研人员的研究重点。而光伏为开发太阳能的主要对象，主要其具有安全、清洁、成本低廉等优点。目前，市场上主要为第一代硅基太阳能电池，大约占了90%，其余的约10%被CdTe和GIGS为代表的第二代薄膜太阳能电池所占据。然而，硅基太阳能电池在原材料和制造上，其成本都比较高，工艺较复杂。因此，人们正在努力开发高效率、低成本的新型太阳能电池。如钙钛矿太阳能电池[1]。 近年来，钙钛矿太阳能电池由于光电效率高，工艺简单等一些优异性能而受到人们的广泛关注。现如今广大研究人员正在大力研究，开发钙钛矿太阳能电池，其光电转化效率正在不断突破、提高，有可能达到甚至超过单晶硅太阳电池（25.6%）的水平。其中钙钛矿太阳能电池的光电转化效率被证实已达到了20. 1%[2]，这项重大的成就于2013 年度，成功被Science 评选为十大科学突破之一[3]。 一钙钛矿太阳能电池的发展历程 人们从十年以前就开始研究钙钛矿型结构化合物，刚开始由于其具有优异的光子传导性以及半导体特性，而被应用于薄膜晶体管和有机发光二极管中。[4] 2009 年，Miyasaka 等[5]首先制得钙钛矿结构的太阳能电池，它主要是以 CH3NH3PbBr 3和CH 3 NH 3 PbI 3 为光敏化剂。这成功地跨出了钙钛矿太阳能电池发展的 第一步，也为钙钛矿太阳能电池发展奠定了重要的基础。 2011年，Park 等[6]以CH 3NH 3 PbI 3 为光敏化剂，通过改善工艺及优化原料组 分比，成功制备了光电转化效率为6. 54%的钙钛矿太阳能电池，其结构和性能得到了一定的提升。

钙钛矿太阳能电池材料

背景 在能源紧缺的现代社会，为了维持人类的可持续发展，科学家们一直致力于新能源的研究，其中至少在几十亿年内都取之不尽的太阳能便成了热门的研究对象。 太阳能电池大家都不陌生，它通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能。钙钛矿材料我们也很熟悉，就是一类有着与钛酸钙（CaTiO3）相同晶体结构的材料，其结构式一般为ABX3，其中A和B是两种阳离子，X是阴离子。 但钙钛矿太阳能电池却是一个比较新的概念。 2009年日本桐荫横滨大学的宫坂力教授将碘化铅甲胺和溴化铅甲胺应用于染料敏化太阳能电池，获得了最高%的光电转化效率，此为钙钛矿光伏技术的起点 但它直到2014年左右才被人们重视起来。是因为在短短几年间其效率一直在显著提升，这是NREL上实验室最高电池效率的图，我们可以看出钙钛矿材料的效率上升速率远远超过了其他同类型材料。钙钛矿材料被认为是最有可能取代硅晶材料作为太阳能电池的材料 概述 钙钛矿太阳电池一般采用有机无机混合结晶材料——如有机金属三卤化物CH3NH3PbX3（X=Cl, Br, I）作为光吸收材料。该材料具有合适的能带结构，其禁带宽度为，因与太阳光谱匹配而具有良好的光吸收性能，很薄的厚度就能够吸收几乎全部的可见光并用于光电转换。 如图所示，这是钙钛矿太阳能电池的一般结构结构，由上到下分别为玻璃、FTO、电子传输层（ETM）、钙钛矿光敏层、空穴传输层（HTM）和金属电极。其中电子传输层常常用TiO2 钙钛矿电池一个显著的特点是IV曲线（伏安曲线）的滞后（I-V hysteresis）（通常叫滞后现象或迟滞现象），一般从反向扫描（开路电压－短路电流）得到的曲线比正向扫描（短路电流－开路电压）看起来好很多。现在对钙钛矿的这种现象还没有一个很好的解释，目前比较合理的解释是：钙钛矿材料具有很强的铁电性能（ferroelectricity）以及巨大的介电常数，导致电池的低频电容很大，比其他任何一种光伏电池都显著。 文献

钙钛矿太阳能电池的研究进展

40 第 44 卷 第 9 期2015 年 9 月 Vol.44 No.9Sep.2015 化工技术与开发 Technology & Development of Chemical Industry 钙钛矿太阳能电池的研究进展 杨　林1，左智翔2，于凤琴1，纪三郝 1，王天华1，王鸣魁 2 （1.中化化工科学技术研究总院，北京 100083；2. 华中科技大学光电国家实验室（筹），湖北 武汉 430074）摘 要： 近年来，得益于钙钛矿材料突出的光学和电学特性，全固态钙钛矿基太阳电池效率不断取得突破，现已超过20%。业界纷纷期待着钙钛矿电池的产业化前景。文章介绍了钙钛矿作为光电材料的一些光学、电学性能，回顾了钙钛矿电池的发展历程。围绕基本结构，论述了钙钛矿电池中的基本光电转换过程，并对各种衍生结构的钙钛矿电池进行了罗列、分类，重点介绍了无空穴传输层的钙钛矿电池，阐明了无空穴传输层电池在稳定性和使用寿命、成本控制等关键问题上的优势所在，同时基于廉价碳电极的无空穴传输层太阳电池效率也已接近15%，且仍有较大提升空间。 关键词：钙钛矿电池；光电转换效率；异质结；空穴传输层；碳电极 中图分类号：TM 914.4+3 文献标识码： A 文章编号：1671-9905(2015)09-0040-06作者简 介：杨林（1978-），男，博士，高级工程师，河北石家庄人，主要从事有机合成的研究。E-mail: yanglin@https://www.wendangku.net/doc/bf15548384.html, 通讯联系人：王鸣魁收稿日期：2015-07-02 根据美国能源信息局的报告，预计到2035年，全球能源消耗将比现在增加50%，其中，化石能源消耗将占世界能源消耗总量的86%[1]。可以说用“能源危机”来描述当前的形势丝毫不为过。而化石能源链条一旦中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧，最终葬送现代市场经济。与此同时，大量消耗化石能源导致的温室气体排放，不仅使全球气候发生变化，海平面上升，还将造成全球大气环流调整和气候带向极地扩展。总之，在世界能源现状日益拮据，化石能源迟早面临枯竭，环境污染问题频发的今天，寻求新能源成了当今世界、当今中国最迫切的选择。 太阳能作为一种清洁的可再生能源，开发利用太阳能，能够同时解决环境污染问题和满足全球范围内日益增长的能源需求。目前对太阳能的利用主要是基于光伏原理的太阳能电池。太阳能电池的种类有很多，按照出现的先后顺序，大体可以分为三代。一代单晶硅、多晶硅太阳能电池是目前市场 上的主流产品，工艺成熟，光电转换效率高，但是高纯硅材料成本太高，工艺复杂，限制了它的大规模应用。二代多元化合物薄膜太阳能电池虽然也有较高的光电转换效率，但是它的一些原材料属稀有元素，而且像镉具有严重的污染性。这样就催生了三代太阳能电池，该代太阳能电池具有取材广泛、性能提升空间大等诸多优点，虽尚未发展到实际应用阶段，但它们是目前学术界广泛研究的热点。 在三代太阳能电池中，钙钛矿太阳电池（Perovskite Solar Cell, PSC）最近几年发展势头尤为迅猛。图1是各种太阳能电池效率发展史及最高效率，从图1中可以看到PSC 在2009年效率只有3.8%[2]， 到现在已经超过20%，发展速度远远快于同为三代太阳能电池的染料敏化太阳能电池（DSC）和有机聚合物太阳能电池（OPV）。基于有机金属卤化物的PSC 被认为是近年来光伏领域最重要的发明之一。自从2012年报道第一篇关于全固态太阳能电池用CH 3NH 3PbI 3作为吸光材料以后，通过调整PSC 内部界面的能级结构和改善控制电池薄膜的质量和形态以及设计一系列不同的电池结构，PSC 的效率不断取得突破。 1975E f f i c i e n c y /% 50 48444036322824201612840 199519802000198520051990 20102015 图1　各种太阳能电池的效率发展史及最高效率

钙钛矿型太阳能电池研究进展

课序号 文献检索和数据库期末论文 题目：钙钛矿型太阳能电池研究进展 姓名郭天凯 学号2012437019 年级专业2012应用物理 指导教师 2014年7月11日 摘要：近年来，为了解决日益严峻的能源和环境问题，人们把目光投向了新能源的开发和利用上。在各种新能源技术中，光伏发电无疑是最具有前景的方向之一。传统的硅基太阳能电池虽然实现了产业化，有着较为成熟的市

场，但其性价比还无法与传统能源相竞争，并且制造过程中的污染和能耗问题影响了其广泛应用。因此，研究和发展高效率、低成本的新型太阳能电池十分必要。在众多的新型太阳能电池里，钙钛矿薄膜太阳能电池近两年脱颖而出，吸引了众多科研工作者的关注，还被《Science》评选为2013年十大科学突破之一。钙钛矿薄膜太阳能电池的光电转化效率在5年的时间内从3.8%迅速提高到经过认证的16.2%（截止到2013年底），把染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池等新型薄膜太阳电池甩在了身后。 关键词：钙钛矿太阳能电池，研究领域，前沿科技，发展态势 一、钛矿太阳电池技术研究领域的定义及其重要性 1、钛矿太阳电池技术研究领域的定义 钙钛矿太阳电池是以具有钙钛矿结构的有机-金属卤化物（简称：钙钛矿）等作为核心光吸收、光电转换、光生载流子输运材料的太阳电池。 钙钛矿太阳电池技术研究领域是指有关钙钛矿太阳电池的工作机理、结构、特性、核心制备工艺与关键产业化生产工艺、应用研究等。 钙钛矿太阳电池所采用的这种具有钙钛矿结构的有机-金属卤化物光吸 收体具有良好的光吸收、光电转换特性以及优异的光生载流子输运特性，其电子与空穴扩散长度均可超过1000 nm。因而采用这种新型光电转换材料的钙钛矿太阳电池具有特别优异的光电转换特性，目前实验室样品光电转换效率已高达16.2%。 目前钙钛矿太阳电池的构造通常采用体相异质结结构、平面异质结结构和无空穴输运材料异质结结构等。 钙钛矿太阳电池的实验室制备工艺通常采用液相沉积工艺、气相沉积工艺以及液相/气相混合沉积工艺。 基于上述简洁的构造、方便的制备工艺和优异的光电转换性能，钙钛矿太阳电池因而有望成为具有高效率、低成本、柔性、全固态等优点的新一代太阳电池。 钙钛矿太阳电池的大规模产业化生产将可采用卷对卷湿法涂覆、可打印印刷技术和干法等离子体增强沉积技术等。 钙钛矿太阳电池具有光明的应用前景和宽广的应用范围，特别适用于建筑光伏一体化（BIPV）、偏远地区分布式发电电站、家庭式发电电站、移动（室内、便携式）电子产品、艺术装饰品等应用。 2、钛矿太阳电池技术研究领域的重要性 能源是社会和经济发展的重要基础条件，迄今为止人类社会发展仍然主要依赖于化石能源。但化石能源在地球上的分布极不均衡，并且终究会枯竭。另外燃烧化石能源带来的环境污染、雾霾气候和温室效应严重威胁人类社会的可持续发展。太阳电池能够利用太阳能直接转化为电能，可以为人类社会发展提供取之不尽用之不竭的清洁能源，是人类社会应对能源危机，解决环境问题，寻求可持续发展的重要对策。 经过长期的研究与发展，目前单晶硅基太阳电池技术已经比较成熟。但单晶硅基太阳电池存在生产成本高、生产过程能量消耗大、环境污染严重、

钙钛矿太阳能电池材料的研究进展

第46卷第3期材料工程V。1.46 No.3 2018 年3月第 142 —150 页Journal of MaterialsEngmeering Mar. 2018 pp.142-150 钙钛矿太阳能电池材料的 研究进展 Research Progress on Materials for Perovskites Solar Cells 邱婷，苗晓亮，宋文佳，楼冬，张树芳 (南京理工大学材料科学与工程学院，南京210094) QIU Ting，MIAO Xiao-liang，SONG Wen-jia， LOU Dong,ZHANG Shu-fang (School of Materials Science and Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094, China) 摘要：钙钛矿太阳能电池的研究在近5年内迅速发展，已经成为非常有活力的研究领域，在较短的时间内电池的效率得 到了显著的提升。钙钛矿太阳能电池中钙钛矿材料的研究对于提高电池的效率有着重要的意义。本文综述了近年来在 钙钛矿层制备方法、新材料的合成等方面存在的主要问题和研究进展。对各种制备方法的特点及改进优化进行了详细 的介绍，并分析了新材料合成的必要性和所面临的问题。最后，指出了在降低钙钛矿毒性、大面积制备钙钛矿太阳能电 池，以及降低成本等方面的研究前景，为今后高效、稳定的钙钛矿太阳能电池的研究提供方向。 关键词：钙钛矿；太阳能电池；制备；薄膜 doi: 10.11868/-.issn.1001-4381. 2015. 001329 中图分类号：O475 文献标识码：A文章编号：1001-4381(2018)03-0142-09 Abstract：Perovskite solar cells(PSCs)have been developed rapidly as one of the most growing photovoltaic technologies in the last five years.The power conversion efficiency(PCE)of the solar cells has been unprecedentedly increased over the relatively short period.It is of great signii-cance to study the perovskite materials in this kind of solar cells for improving the efficiency.The most focused issues asw ell as themain progress in varied fabrication techniques and synthesis of new materials in recent years were reviewed in this paper.The characteristics and improvements of varied fabrication techniques are introduced in detail,the necessity and the problems facing for new materials synthesis were analyzed.Finally,a perspective view on reducing the toxicity of perovskite,preparing large-scale perovskite solar cells,and the cost reduction was given to p rovide the direction ture research of high-efficiency and stable perovskite solar cells. Key words：perovskite；solar cell；fabrication；thin film 近几十年来，随着工业发展和人口増长，全球能源 需求不断増加，特别是对传统能源，如石油、煤炭和天 然气的依赖仍在继续。到目前为止，超过80%的能源 消耗来自化石燃料，这导致了环境污染和气候变暖等 问题。更重要的是，化石燃料是不可再生能源，未来终 将耗尽。而现代社会的发展需要更多低污染、可持续 的能源。太阳能是人类取之不尽、用之不竭的可再生 能源，同时也是清洁能源，在使用过程中不会产生任何 的环境污染。利用太阳能进行发电是近些年来发展最 快、最具活力的研究领域。人们已经研制和开发了各 种太阳能电池。目前，硅基太阳能电池，特别是单晶硅太阳能电池由于转化效率较高已经实现了商品化，并 在大规模应用和工业生产中占据主导地位，但由于其 高昂的材料价格以及繁琐的制备工艺，使得其成本居 高不下，而大幅度降低其成本又非常困难[1]。为此，发 展硅电池的替代产品是非常有必要的。在这种情况 下，成本相对较低的多晶硅薄膜太阳能电池和叠层（多结）非晶硅太阳能电池应用而生。但由于在多晶硅薄 膜电池的生产工艺中，需要高温、高真空的气相沉积过 程，成本仍然较高。对于成本更为低廉的非晶硅太阳 能电池来说，非晶硅大约1. 7e V的光学带隙只能利用 波长在730n m以下的太阳光辐射，明显减少了对近红

钙钛矿太阳能电池基本原理和制备方法

钙钛矿太阳能电池基本原理和制备方法 2.1基本原理 钙钛矿太阳能电池作为一种新出现的太阳能电池，其电池结构目前主要有两种，第一种是由染料敏化太阳能电池演化而来的“敏化”结构，此结构与染料敏化太阳能电池极为相似，具有高吸光性的钙钛矿材料作为光敏化剂，其层状结构 的每一层物质依次为透明导电玻璃、ZnO或TiO 2致密层、钙钛矿敏化的多孔TiO 2 或Al 2O 3 层、空穴传输层（HTMs）、金属电极，结构图如图2.1左。第二种是平面 异质结薄膜结构，其层状结构每一层物质依次为透明导电玻璃、ZnO或TiO 2 致密层、钙钛矿层、空穴传输层（HTMs）、金属电极，结构图如图2.1右。这种结构下钙钛矿既是光吸收层又是电子传输层和空穴传输层，其优良性能被充分利用。由于作为空穴传输层（HTMs）的Spiro-OMeTAD材料制备起来相对比较复杂和昂贵，因而无空穴传输层（HTMs）的钙钛矿太阳能电池的研发也成为科研热点。 图2.1 （a）“敏化”钙钛矿太阳能电池结构（b）平面异质结钙钛矿太阳能电池结构 2.1.1“敏化”钙钛矿太阳能电池 H.S.Kim等科学家制作出了光电转化效率为9.7％的敏化全固态钙钛矿太阳 能电池，作为光吸收层的钙钛矿CH 3NH 3 PbI 3 的光吸收系数很高，较薄的钙钛矿敏 化的多孔TiO 2 层可以吸收大量的光源，因而电池可以产生高达17.6mA/cm2的短

路电流密度。此后tzel a Gr 等科学家优化了电池制备方法，在TiO2光阳极表面上 形成CH 3NH 3 PbI 3 纳米晶，此纳米晶具有高吸附性和该覆盖性。此方法使得太阳能 电池光电转换效率达到15％，并且具有极高的稳定性，500小时后光电转化效率仍然达到一开始的80％. 一维的TiO 2纳米结构，包括纳米棒、纳米管、纳米线等，相比较于由TiO 2 纳米颗粒组成的薄膜，其电子传输效率更高，电子寿命更长，晶界的电荷复合效 率更低。TiO 2 薄膜因其有利于电子传输，具有恰当的能级，在传统的敏化结构太阳能电池中可以作为光阳极。其电荷转移示意图如图 2.2左。而由于钙钛矿 CH 3NH 3 PbI 3 具有长的电子扩散长度，且具有双极性输运性质，光生电荷载流子可 以被钙钛矿有效的分别传输到两端电极，因而绝缘的Al 2O 3 便可替代TiO 2 。Al 2 O 3 仅作为钙钛矿CH 3NH 3 PbI 3 的支架，光生电子被限制在CH 3 NH 3 PbI 3 内，只能在钙钛 矿内传输。J.M.Ball等科学家优化了Al 2O 3 的厚度，使得钙钛矿太阳能电池的光 电转换效率最高达到12.3％. 其电荷转移示意图如图2.2右。 图2.2 TiO2、Al2O3为光阳极的太阳能电池电荷转移示意图

钙钛矿太阳能电池

1.引言 面对日益紧张的能源和环境危机，对新能源、可再生能源的需求日趋迫切，如何更有效、更低成本地利用取之不尽用之不竭的太阳能一直备受关注。然而传统的硅太阳能电池由于成本高、硅提纯过程对环境污染大等问题，使其大规模应用受到一定限制。因此，寻找低成本、环境友好的新型太阳能电池成为普遍关注的重点。 钙钛矿太阳电池是由染料敏化电池演化而来.CH 3NH 3PbX 3 材料吸收系数高达 10 5; 通过调节钙钛矿材料的组成, 可改变其带隙 [2 ] 和电池的颜色,制备彩色电池 [3 ] . 另外, 钙钛矿太阳电池还具有成本低, 制备工艺简单, 以及可制备柔性 [4 ]、透明 [5 ]及叠层电池 [6 ] 等一系列优点, 而且其独特的缺陷特性 [7 ,8] , 使钙钛矿晶体材料既可呈现 n 型半导体的性质, 也可呈现p 型半导体的性质, 故而其应用更加多样化. 而且 CH3NH3PbX3 具有廉价、可溶液制备的特点, 便于采用不需要真空条件的卷对卷技术制备, 这为钙钛矿太阳电池的大规模、低成本制造提供可能. 2009 年, 日本人 Kojima 等[1] 首次将有机、无机杂化的钙钛矿材料应用到量子点敏化太阳电池中,制备出第一块钙钛矿太阳电池, 并实现了 3.8%的效率. 但是这种钙钛矿材料在液态电解质中很容易溶解, 该电池仅仅存在了几分钟即宣告失败. 随后, Park 等 [9] 于 2011 年将 CH3NH3PbI3 纳米晶粒改为2—3 nm, 效率提高到 6.5%. 但是由于仍然采用液态电解质, 仅仅经过 10min, 电池效率就衰减了 80%. 为解决钙钛矿太阳电池的稳定性问题, 2012年 Kim 等人 [10 ] 将一种固态的空穴传输材料 (spiroOMeTAD) 引入到钙钛矿太阳电池中, 制备出第一块全固态钙钛矿太阳电池, 电池效率达到 9.7%. 即使未经封装, 电池在经过 500 h 后, 效率衰减很小.空穴传输层 (hole transport material, HTM) 的使用, 初步解决了液态电解质钙钛矿电池不稳定与难封装的问题. 随后 Snaith等 [11 ]首次将 Cl 元素引入钙钛矿中, 并使用 Al 2O 3 替代 TiO 2, 证明钙钛矿不仅可作为光吸收层, 还可作为电子传输层(electron transport material, ETM), 所得电池 效率为 10.9%. 同样是在 2012 年, 瑞士的 Etgar等 [12 ] 在 CH 3NH 3PbI 3

钙钛矿太阳能电池的光物理原理

钙钛矿太阳能电池的光物理 摘要 溶液制备法制备的有机-无机杂化钙钛矿型太阳能电池，是光伏领域的一种新型太阳能电池新型材料，其光电转换效率已经超过17%，并且在该领域产生了巨大影响。这篇文章中，在这类新的光伏材料中，关于载流子动力学和电荷转移机制中的光物理和新的发现，进行了检验和提炼。一些开放性物理问题也将被讨论。 关键词：甲基氨碘化铅，钙钛矿型太阳能电池，光物理，瞬态吸收光谱，电荷动力学，电荷转移机制 1.引言 有机无机杂化钙钛矿型太阳能电池（或简单的钙钛矿型太阳能电池）是在低成本光电池的研究中的最主要的突破。在这大约5年的期间里，这些溶液加工制备的太阳能电池成为第三代太阳能电池的先驱，比如有机太阳能电池，染料敏化太阳能电池，量子点太阳能电池。尽管，在最近举行的材料研究学会2014春季会议报告中声称，电池的转化效率已经达到了19.3%，但是到目前为止，能够证明确定的记录是17.9%，而在2009年，这个记录只有3.8%。相比较而言，染料敏化太阳能电池需要二十多年的研究才超过10%的转化效率。尽管在器件性能的显著增加，但钙钛矿型太阳能电池中的光物理机制仍然是不明确的。在本文中，我将首先简要地回顾了目前的钙钛矿型太阳能电池领域的进展，然后追踪一下光物理研究的发展。我还会强调一下钙钛矿中电子和空穴的扩散长度，CH3NH3PbI3的热空穴冷却动力学

和放大自发辐射的发现。最后，在这些材料中，一些关于光物理的问题也会进行讨论。 2.有机无机钙钛矿太阳能电池 2.1 三维的有机无机钙钛矿电池的结构 钙钛矿是一般化学式为AMX3 化合物的总称。A阳离子在立方晶胞的8个角上，M阳离子被6个X阴离子包围，位于[PbI6]4- 八面体的中心。如图1，CH3NH3PbI3情况。尽管钛酸钙的通用名称有着相同的“钙钛矿”标签，但有机无机钙钛矿材料与他们同名仅仅是因为他们的结构。在纳米科学发展的19世纪80年代，这类杂化材料能够形成三维（3D）到零维（0-D）与[PbI6]4- 八面体单元的类似物，直到把晶胞已作为广泛应用在半导体介观量子限制效应模型而深入研究。CH3NH3PbX3 （其中x是Cl，Br，I）是广泛调查的光伏材料的选择，这个材料由3D八面体网状结构形成。 2.2该领域和基本器件结构的概述 光电池CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3 的应用可以追溯到2009年T. Miyasaka及其合作者所开展的工作，他们把这些材料作为光吸收材料，在TiO2介孔层和卤化物电解质上面，达到了3.18%的光电转换效率。随后在2011年，N.G Park和他的合作者将这种液态电解液钙钛矿电池进一步优化，使效率达到了6.45%，然而，材料的稳定性以及容易在液体中溶解的性质为这些早期的电池带来了麻烦。在2012年，N. G. Park, M. Gr?tzel 在电池的稳定性和效率上取得了重要的突破，实现了9.7%的光电转换效率。接下来的工作，H. J. Snaith,

钙钛矿太阳电池综述

钙钛矿太阳电池综述 孙文 （中南大学冶金与环境学院0507120407） 摘要：利用有机-无机杂化钙钛矿材料制备的太阳能电池具有能量转换效率高和成本低的优点，近年来发展极为迅速，获得了学术界的高度关注。首先总结了钙钛矿材料的光电特性和然后介绍了钙钛矿太阳能电池的结构及其研究进展，最后指出了目前电池发展中亟需解决的问题以及进一步提高器件效率的途径。 关键词：钙钛矿；晶体结构；电池结构；综述 Overview of perovskite solar cell Sun Wen (School of Metallurgical and Environment,Central South University,0507120407) Abstract Solar cells prepared using organic-inorganic hybrid perovskite materials exhibit advantages of high conversion efficiency and low cost, which show extremely rapid development in the recent years and gain great concern from academe. After the optoelectric properties of perovskite materials are summarized,structures of the perovskite solar cells are then presented, and also the recent research progress. Finally, the urgent problems need to be resolved in the development process and approaches to further improve the device efficiency are pointed out. Key words perovskite；crystal structure；cell structure；overview 1.前言 近年来，环境污染和能源短缺问题严重影响了社会与个人的发展。开发更清洁的可再生能源是今后发展的方向。太阳能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到大家的关注。太阳能电池是一种利用光生伏特效应把光能转换成电能的器件。MIT和斯坦福大学的研究人员试制出了由单晶硅太阳能电池和钙钛矿型太阳能电池层叠而成的串联结构的太阳能电池。虽然转换效率还不够高，只有13.7％，但双方制定了转换效率达到29％的目标，最终还有可能超过35％。 近几年，钙钛矿型太阳能电池的性能显著提高，2014年有报告称转换效率达到了20.1％。由于材料费低，制造工艺也简单，因此将来有可能给太阳能电池市场带来巨大影响。 2.钙钛矿太阳电池材料 钙钛矿是指CaTiO3，属于立方晶系的氧化物。1839年，它在俄罗斯乌拉尔

钙钛矿太阳能电池研究综述

钙钛矿太阳能电池研究综述

钙钛矿太阳能电池 引言 21世纪以来，人口急剧增长，能源和环境问题日益明显。目前，人们主要消耗的是不可再生能源，例如煤、天然气、石油等化石燃料。而未来人类还需大量的能源，故人类正在积极开发新能源。 而太阳能具有清洁、无污染、分布广并且能量充分，是目前广大科研人员的研究重点。而光伏为开发太阳能的主要对象，主要其具有安全、清洁、成本低廉等优点。目前，市场上主要为第一代硅基太阳能电池，大约占了90%，其余的约10%被CdTe和GIGS为代表的第二代薄膜太阳能电池所占据。然而，硅基太阳能电池在原材料和制造上，其成本都比较高，工艺较复杂。因此，人们正在努力开发高效率、低成本的新型太阳能电池。如钙钛矿太阳能电池[1]。 近年来，钙钛矿太阳能电池由于光电效率高，工艺简单等一些优异性能而受到人们的广泛关注。现如今广大研究人员正在大力研究，开发钙钛矿太阳能电池，其光电转化效率正在不断突破、提高，有可能达到甚至超过单晶硅太阳电池（25.6%）的水平。其中钙钛矿太阳能电池的光电转化效率被证实已达到了20. 1%[2]，这项重大的成就于2013 年度，成功被Science 评选为十大科学突破之一[3]。 一钙钛矿太阳能电池的发展历程 人们从十年以前就开始研究钙钛矿型结构化合物，刚开始由于其具有优异的光子传导性以及半导体特性，而被应用于薄膜晶体管和有机发光二极管中。[4] 2009 年，Miyasaka 等[5]首先制得钙钛矿结构的太阳能电池，它主要是以CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbI3为光敏化剂。这成功地跨出了钙钛矿太阳能电池发展的第一步，也为钙钛矿太阳能电池发展奠定了重要的基础。 2011年，Park 等[6]以CH3NH3PbI3为光敏化剂，通过改善工艺及优化原料组分比，成功制备了光电转化效率为6. 54%的钙钛矿太阳能电池，其结构和性能得到了一定的提升。

钙钛矿太阳能电池的空穴传输层

https://www.wendangku.net/doc/bf15548384.html,/materialsA View Article Online View Journal

Journal Name COMMUNICATION This journal is ? The Royal Society of Chemistry 20xx J. Name ., 2013, 00, 1-3 | 1 Please do not adjust margins Received 00th January 20xx, Accepted 00th January 20xx DOI: 10.1039/x0xx00000x https://www.wendangku.net/doc/bf15548384.html,/ [2,2]Paracyclophane Triarylamine-based Hole-Transporting Material for High Performance Perovskite Solar Cells Sungmin Park,?a,b Jin Hyuck Heo,?c Cheol Hong Cheon,b Heesuk Kim,a Sang Hyuk Im,* c Hae Jung Son*a We report the development of a novel hole transporting material (HTM), PCP-TPA, based on [2,2]paracyclophane. In comparison to the well-known HTM, spiro-OMeTAD, PCP-TPA could be prepared using a simple synthesis and showed a higher hole mobility due to effective intermolecular aggregation in the film state. When used as a HTM in perovskite solar cells, the power conversion efficiency reached 17.6%. PCP-TPA will potentially replace spiro-OMeTAD and advance the development of cost-effective and practical perovskite solar cells. Solid-state organometallic halide perovskite (e.g., methylammonium lead halides CH 3NH 3PbX 3, where X = halogen) solar cells have gained recognition as the most promising low-cost photovoltaic technology since the first pioneering reports of Park et al..1 Perovskites characterized by the chemical formula ABX 3 (A ? CH 3NH 3 or NHCHNH 3, B ? Pb, and X ? Br, Cl, or I) have several advantageous properties, including high light absorption,1,2 excellent ambipolar charge mobility,3-5 and a small exciton binding energy,6,7 which importantly contribute to the excellent performances of the perovskite solar cells. Recently, Jeon et al. reported the properties of highly efficient mesoscopic perovskite solar cells with >17% power conversion efficiencies (PCEs),8 and the efficiencies have gradually approached the efficiencies of crystalline Si solar cells.9 In addition to the photovoltaic performance, it is important that the power generation cost is lower than the corresponding costs of all other photovoltaic technologies to ensure competitiveness in the solar cell market. Processing costs can be reduced by developing low-temperature solution processes, such as spray-coating, spin-coating, slot-die coatings, and roll-to-roll coatings. Importantly, the material costs should be minimized by developing new cost-effective materials or simplifying the solar cell device architectures because the perovskite solar cells are typically constructed using multiple stacked materials, including transparent electrodes, electron conductors, perovskites, hole transporting materials, and metal electrodes.1 Among the materials used to fabricate perovskite solar cell devices, hole-transporting materials (HTMs) play a key role in enhancing the solar cell efficiency by inducing efficient hole transport and slowing electron–hole recombination.10,11 The most widely used HTM, the spiro–OMeTAD (2,2',7,7'-tetrakis[N ,N -di-p -methoxyphenylamine]-9,9'-spirobifluorene), reproducibly performs well, irrespective of the perovskite solar cell device architecture (i.e., mesoscopic Al 2O 3/TiO 2 scaffolds 12 or planar heterojunction structures 9 ) since it was developed as a HTM for use in solid-state dye-sensitized solar cells.5 13 Despite its promising properties, the high cost of spiro-OMeTAD impedes the practical applications of highly efficient perovskite solar cells in the photovoltaic market because spiro-OMeTAD requires complicated multi-step synthesis approaches.14 Novel polymeric HTMs have been developed, such as poly(3-hexylthiophene)(P3HT), poly[2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl[4,4-bis(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b:3,4-b']dithiophene-2,6-diyl]](PCPDTBT), and poly-triarylamine (PTAA)4 and small molecular HTMs, such as the N ,N -di-p -methoxyphenylamine-substituted pyrene derivatives,15 4-(4-phenyl-4-a-naphthyl- Page 1 of 6 Journal of Materials Chemistry A J o u r n a l o f M a t e r i a l s C h e m i s t r y A A c c e p t e d M a n u s c r i p t P u b l i s h e d o n 22 O c t o b e r 2015. D o w n l o a d e d o n 26/10/2015 02:11:04. View Article Online DOI: 10.1039/C5TA08417B