钙钛矿太阳电池(论文标准格式版)

《钙钛矿太阳电池(论文标准格式版)》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、钙钛矿太阳电池摘要：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

2、。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，它在俄罗斯乌拉尔山脉被矿物学家LevPerovski发现，后来人们他姓为其命名，所

3、以现在钙钛矿英文为Perovski。钙钛矿结构通式为ABO3，A位一般为碱土或稀土离子，rA>0.090nm。B位一般为过渡金属离子rB>0.051nm[1]。在太阳电池中，典型的钙钛矿结构化合物为AMX3，A一般为甲氨基CH3NH3，CH3CH2NH3+和NH2CH=NH2+也有报道；B多为金属Pb原子，金属Sn也有少量报道；X为Cl、Br、I等卤素氮原子和混合原子。其晶体结构如图1所示。Pb2+占据八面体中心位置，占据八面体顶角位置I-，CH3NH3+7占据面心立方晶格顶角位置。这种共顶点结构较共棱、共面结构空隙更大，允许

4、较大尺寸离子填入，即使产生大量晶体缺陷，或者组成离子尺寸与几何结构要求有较大出入是仍能保持结构稳定，且有利于缺陷的扩散迁移[2]。目前在高效钙钛矿型太阳电池中，最常见的钙钛矿材料是碘化铅甲胺。图1典型的钙钛矿晶体结构[3]（CH3NH3PbI3)，它是直接带隙半导体材料，带隙约为1.55eV，对能量大于禁带宽度的光子表现出强烈的光吸收。其吸收系数高，约为105，厚度为300nm左右的材料便能吸收几乎所有可见光。由于低的复合速率，高的载流子迁移率（50cm2/(V.s))，电子和空穴在CH3NH3PbI3的扩散长度>100nm,

5、这使得钙钛矿太阳电池性能优异[4]。3.钙钛矿太阳电池的结构和工作原理钙钛矿太阳电池通常是由透明导电玻璃、致密层、钙钛矿吸收层、有机空穴传输层、金属背电极五部分组成，其电池结构如图2(a)所示[5]。钙钛矿吸收层有两种结构，图2(b)所示的有骨架层结构和图2(c)所示的无骨架层结构。7图2钙钛矿太阳电池结构示意图钙钛矿太阳电池的工作原理如图3所示[5]图3钙钛矿太阳电池原理示意图在接受太阳光照射时，钙钛矿层首先吸收光子产生电子-空穴对。由于钙钛矿材料激子束缚能的差异，这些载流子或者成为自由载流子，或者形成激子。接着将导带电子注

6、入到TiO2的导带，再传输到FTO，同时，空穴传输至有机空穴传输层，实现电子—空穴对的分离。最后，通过连接FTO和金属电极的电路而产生光电流。当然，这些过程中总不免伴随着载流子的损失，如7电子传输层的电子与钙钛矿层空穴的可逆复合、电子传输层的电子与空穴传输层的空穴的复合（钙钛矿层不致密的情况）、钙钛矿层的电子与空穴传输层的空穴的复合。要提高电池的整体性能，这些载流子的损失应该降到最低。4.钙钛矿太阳电池的研究进展钙钛矿薄膜太阳能电池的发展起源于敏化太阳能电池，且基于敏化太阳能电池、有机太阳能电池等在过去二十年里积累的相关技术，

7、才得以飞速发展。1998年，Gratzel组与合作者[6]合成了一种用于固态染料敏化电池的有机空穴传输材料Spiro-OMeTAD，为后来解决原电解液分解吸收层材料的问题做出了重大贡献。1999年，Mitzi等[7]研究了CH3NH3PbI3材料的光电性质，并把它应用在晶体管、光电二极管上。2006年，Kojima[8]等在ECS会议上第一次报道了利用有机/无机复合钙钛矿作为吸光层的太阳电池，发现这种钙钛矿材料的光吸收率是普通染料的10倍，但效率不高。为了解决稳定性问题，2012年，Kim[9]等将Spiro-OMeTAD作为

8、空穴传输层，制备出第一块全固态钙钛矿太阳电池，效率达9.7%。钙钛矿太阳电池自2013年开始迅猛发展，Gratzel[10]等人首次采用两步沉积方法制备钙钛矿薄膜，电池效率达到15%。随后Snaith等采用共蒸发方法制备钙钛矿薄膜，形成了一种全新的平面异质结电池，效率达到15