钙钛矿型太阳电池研究进展-应用化学

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1、第３３卷第５期应用化学Ｖｏｌ．３３Ｉｓｓ．５２０１６年５月ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＡＰＰＬＩＥＤＣＨＥＭＩＳＴＲＹＭａｙ２０１６殝檵檵檵檵殝檵檵殝综檵合评檵述檵檵殝钙钛矿型太阳电池研究进展ａ，ｂａａ刘娇李仁志董献堆ａ（中国科学院长春应用化学研究所现代分析技术工程实验室／电分析化学国家重点实验室长春１３００２２；ｂ中国科学院大学北京１０００４９）摘要自从２００９年钙钛矿材料被应用到太阳电池领域，到现在仅６年的时间里，钙钛矿型太阳电池的光伏转换效率从约３％提高到２０１％，受到全球瞩目。本文对近年来钙钛矿型太阳电池的发展进行了综述，介绍了钙钛矿吸光材料的性能及其制备

2、，总结了钙钛矿型太阳电池器件结构及其内在机理，探讨了该类型电池待突破的方向和可能的解决途径，阐述了钙钛矿型太阳电池的进展历程，展望了未来发展方向。关键词钙钛矿型太阳电池；光电性能研究；全固态太阳电池；机理中图分类号：Ｏ６４９．４文献标识码：Ａ文章编号：１００００５１８（２０１６）０５０４８９１５ＤＯＩ：１０．１１９４４／ｊ．ｉｓｓｎ．１００００５１８．２０１６．０５．１５０２１０在能源危机和环境污染的大背景下，开发新型环保、可再生能源成为人类的重要课题，太阳能取之不尽、用之不竭、没有任何污染、基本不受地域限制，在可预见的未来是我们的重要能量来源。多年来，人们大力研

3、发各种类型的太阳电池，力图将太阳能高效地转化为电能，实现经济环保的光伏发电，而制备低成本、无污染、高效率、易实现规模化应用的太阳电池是人们一直以来努力的目标。实现产业化应用的单晶硅／多晶硅太阳电池及单晶硅／非晶硅薄膜太阳电池已经实现了超过２０％［１］的光伏转换效率。硅基太阳电池工艺成熟，已应用多年，但一直存在着造价高昂、制备条件苛刻、工艺［２］非环保等问题。而碲化镉和铜铟镓硒太阳电池，虽然在实验室实现了很高的光伏转换效率，但受制于［３］制作成本及环境污染等问题，仅得到初步产业应用。人们一直在探索实现各种光伏转换的可能途径，［４］［５］包括薄膜硅、薄膜Ⅱ／Ⅴ／Ⅱ／Ⅵ族半导体

4、、量子点敏化、有机异质结、染料敏化等新型太阳电池。量［４］子点敏化太阳电池通过调节量子点尺寸来调节带隙，扩大光吸收范围，研究重点是寻找实现多激子［５］发生和具有恰当中间带结构的的新型材料。有机异质结太阳电池基于施主受主交叉结构实现界面电荷分离，制作工艺不成熟、机理复杂，仍待改进优化。染料敏化太阳电池，被认为是具备诸多优点（如成本低及原料丰富等）的第三代太阳电池，其本质上是一种在微尺度界面上基于单分子层吸光产生电荷［７］［６］的复杂器件，从瑞士科学家Ｇｒｔｚｅｌ在１９９１年发表的光伏转换效率７．９％的染料敏化太阳电池，到现在最高光伏转换效率达到１３％，经历２０多年时间，目

5、前染料敏化太阳电池的研究遭遇瓶颈、进展缓［８９］慢，急需创新的设计思想。最近，中国科学院长春应用化学研究所王鹏等基于大量的积累研究，提出结构功能从头全设计方法有望发展染料敏化太阳电池的新途径。这些被称作“新型技术”的第三代太阳［１０］电池，已进行了一些初步产业试验应用，但实现大规模的商业化，还有较多工作要做。［１１］近年来，全固态钙钛矿型太阳电池异军突起、迅猛发展，２００９年日本科学家ＴｓｕｔｏｍｕＭｉｙａｓａｋａ首次发现钙钛矿与染料类似，具有吸收太阳光的作用，将其应用到太阳电池中，获得了３８％的光伏转换效率。到现在仅６年的时间里，通过多个研究组对钙钛矿型太阳电池的探

6、索研究，该类型电池目前最高［１２１３］光伏转换效率已达到２０１％。钙钛矿型太阳电池同时拥有低成本和高效率两个重要特点，为利用太阳能提供了新途径。钙钛矿型太阳电池性能的进一步提升有望解决太阳电池发展的效率和成本瓶颈，对其进行深入系统的研究具有重大的科学价值和现实意义，作为目前受到关注、最有潜力的太阳电池，对其深入研究也具有重要的战略意义。２０１５０６１９收稿，２０１５１０２６修回，２０１５１１１８接受国家重点基础研究发展计划（２０１５ＣＢ９３２２０４）项目资助通讯联系人：董献堆，研究员；Ｔｅｌ：０４３１８５２６２９５２；Ｆａｘ：０４３１８５２６２９５３；

7、Ｅｍａｉｌ：ｄｘｄ＠ｃｉａｃ．ａｃ．ｃｎ；研究方向：新型太阳能电池与技术，电化学，科学仪器４９０应用化学第３３卷钙钛矿型太阳电池的迅速发展，已经发表了多篇以介绍制备方法为重点的综述，起到了帮助人们快［１４１８］速了解该领域的研究现状的作用。然而，本领域发展极快，简单的资料罗列价值有限，需要及时有洞察力前瞻性分析，才能获得独特深入的理解，做出正确的预判和规划，促进本领域的发展。本文贯穿钙钛矿型太阳电池的发展主脉络，通过对近年钙钛矿型太阳电池的研究进展进行回顾和综述，介绍了钙钛矿吸光材料性能及其制备，分析了其基本构成和特点，从