钙钛矿太阳能电池的制备.doc

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1、华南师范大学材料所赵灵智老师结课论文2016-1-20钙钛矿太阳能电池的原理及其制备戚明月2015021316摘要：本文简要回顾了钙钛矿太阳能电池的发展历史,表明了钙钛矿太阳能电池在本质上是固态染料敏化太阳能电池。从电池的光生电机理、各层材料及其作用和电池结构等角度介绍了钙钛矿太阳能电池。以此为基础，成功制备了一批钙钛矿太阳能电池并简单的检测了其伏安曲线，以此分析判断制备工艺的不同对其的影响。最后指出了钙钛矿太阳能电池大规模市场应用在制造技术上的瓶颈以及可能的解决方法。关键词：钙钛矿太阳能电池；制备；性能4华南师范大学材料所赵灵智老师结

2、课论文2016-1-201引言众所周知，能源问题材料科技发展的一大动力，太阳能电池作为清洁的能源从上世纪50年代就一直是科研的热点——怎么提高光电转化效率，如何降低成本市场化等等。至今太阳能电池已发展到第四代，他们分别是第一代晶体硅太阳能电池、第二代化合物薄膜太阳能电池、第三代聚合物太阳能电池和第四代光敏化太阳能电池，而本文重点介绍的钙钛矿太阳能电池实质上是固态染料敏化太阳能电池。其中硅基太阳能电池研究最早，技术也最为成熟，分为单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池，虽然占据了太阳能绝大部分的市场，但由于不是效率不高、不稳定，就是成本太高，制

3、备污染大等原因，有待寻找新的材料及技术。近些年发展的薄膜太阳能电池和聚合物太阳能电池，都或多或少不能满足市场化的要求，比如技术较为成熟的碲化镉薄膜太阳能电池中镉有毒，铜铟硒薄膜太阳能电池中稀有金属硒成本高，而聚合物太阳能电池虽有其他无机材料无可比拟的工艺简单、柔性好等优点，但光电转化效率瓶颈难以突破。几类薄膜太阳能电池能量转换效率如图1。从图中可以看出，最后投入研究的钙钛矿太阳能电池异军突起，光电转换效率迅猛上升，目前已超过之前所有太阳能电池材料。虽然钙钛矿太阳能电池目前也存在着一些技术上的瓶颈和市场化的难题，但凭借高转化效率，污染少等

4、优势，是值得研究的。图1　几类薄膜太阳能电池能量转换效率2钙钛矿太阳能电池的发展1839年,俄罗斯矿物学家vonPerovski首次发现钙钛矿存在于乌拉尔山的变质岩中。目前,已知有数百种此类矿物质,其家族成员从导体到绝缘体范围极为广泛,最著名的是高温氧化铜超导体。制备钙钛矿太阳能电池所用的钙钛矿钙钛矿太阳能电池材料通常为CH3NH3PbI3,属于半导体。如图2所示。钙钛矿结构的通式为ABO3，钙钛矿太阳能电池中A为甲基胺,B为铅,O为碘或氯或者两者混合。图2　钙钛矿结构示意图4华南师范大学材料所赵灵智老师结课论文2016-1-20钙钛矿

5、太阳能电池的兴起得益于染料敏化太阳能电池技术的发展。液态染料敏化太阳能电池由多孔TiO2及其附着的增强光吸收的染料、氧化还原液体电解质和金属对电极组成。多孔TiO2的主要作用是增大比表面积吸附更多的染料以吸收更多的入射光。其中光电转换效率较高的敏化太阳能电池使用的染料是稀有金属钌合金，虽然有制备易、污染低、且不需要大型无尘设备等优点，但染料成本较高。所以寻找较为合适的吸光染料就成了突破瓶颈的焦点。Miyasaka等人于2006年和2008年报道了他们用钙钛矿材料CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3作染料的敏化太阳能电池,虽然效率

6、不高，但经过一系列的技术和传输层材料的改进，钙钛矿太阳能电池的转化效率一步步提高，超过其他种类的太阳能电池，已然是太阳能电池技术的明日之星。然而用传统的敏化太阳能电池技术制备的液态电解质的钙钛矿太阳电池存在一个致命的缺陷,即液态电解质会溶解或者分解钙钛矿材料,以至于电池在几分钟内失效。解决办法之一就是像Miyasaka课题组2008年文献报道中的那样采用固态电解质作空穴传输层，因此钙钛矿太阳能电池的本质是固态敏化太阳能电池，也确定了钙钛矿太阳能电池的初雏形。3钙钛矿太阳能电池的结构及其原理钙钛矿太阳能电池本质上是一种固态染料敏化太阳能电

7、池。它具有类似于非晶硅薄膜太阳能电池的P-I-N结构。钙钛矿材料作为光吸收层(I本征层)夹在电子传输层TiO2(N型)和空穴传输层HTM(P型)之间。目前光电转化效率较高且稳定的的结构如下图3。图3钙钛矿太阳能电池结构示意图其中，致密TiO2作为阻挡层，有效提高电子空穴分离效率，多孔TiO2作为吸附材料和电子传输层，而空穴传输层为Spiro-OMeTAD，电极分别是FTO和银电极。选材的依据中有一个先决条件，那就是各层材料的能级图，只有能级搭配合理，才能有效传输电子和空穴而不至于电子空穴在内部就复合掉了。其光伏发电的能级图及电子空穴对产

8、生、输运过程见图4。图4钙钛矿太阳能电池材料能级图钙钛矿CH3NH3PbI3的禁带宽度为1.5eV。当能量大于其禁带宽度的入射光照射钙钛矿材料时,激发出电子空穴对,电子空穴对在钙钛矿中传输,到达TiO2/钙