鈣鈦礦太陽能電池

1、鈣鈦礦太陽能電池簡述楊皓辰（天津大學(xué)北洋園校區(qū)化工學(xué)院2013級化工一班，天津300350）摘要：太陽能電池是當(dāng)今新能源的典型代表，鈣鈦礦則是太陽能電池發(fā)展中一個新興的朝陽領(lǐng)域。為研究鈣鈦礦太陽能電池的性質(zhì)，進(jìn)而對現(xiàn)有的鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)進(jìn)行一定的改進(jìn)創(chuàng)新，本實驗小組對鈣鈦礦的基本結(jié)構(gòu)、鈣鈦礦太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)，鈣鈦礦電池幾種不同的制備方法等進(jìn)行了研究和實驗。發(fā)現(xiàn)溶液法仍是現(xiàn)在最普遍易行的方法，與此科學(xué)家們也在不斷革新其制備方法。在研究實驗過程中，我們還了解到鈣鈦礦太陽能電池雖然是一個有前途的研究熱點(diǎn)，但同時也存在著一定的問題，有待我們進(jìn)行改進(jìn)。最后，提出了一些發(fā)展展望。關(guān)鍵詞：鈣鈦礦太陽

2、能電池；結(jié)構(gòu)；制備；前景；缺點(diǎn)Abstract：Solar cell is the typical representative of new energy. Perovskite is a promising area of the development of solar cell. To study some aspects of the qualities of perovskite solar cell and have some innovation of the appliance of perovskite solar cell, our project group have

3、some experiment and research on the structure of perovskite and perovskite solar cell, and some methods of preparation. We find that the solution method is still the most popular and easy-going. At the same time, lots of scientist are trying some creative methods of preparation of perovskite. During

4、 our experiment, we also learn that despite the fact that perovskite solar cell is a hot study direction, there are some problems that we have to solve. Finally, we make some outlook of perovskite solar cell.Key word: perovskite solar cell; structure; preparation; prospect; weakness一、鈣鈦礦的基本結(jié)構(gòu)理想的鈣鈦礦結(jié)

5、構(gòu)組成為ABO3，它是以B位或A位陽離子為結(jié)點(diǎn)的立方晶體，基本單元如圖1a，如果從B位陽離子的配位多面體角度觀察，鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)是由BO6八面體共定點(diǎn)組成的三維網(wǎng)格，A陽離子填充于其間形成的十二面空穴中。然而，從院子堆積角度觀察，它卻可以看作兩種原子層交替堆垛而成，圖中我們把同出一個堆垛的八面體的等邊三角形側(cè)面，用一種陰影勾畫出來。圖b，c中畫出層中氧負(fù)離子和A陽離子的排列情況。5它清楚地表明：1. 每個A陽離子周圍環(huán)繞著6個氧陰離子。2. 在相鄰的3個A陽離子之間有三個氧陰離子，他們構(gòu)成小正三角形，每個氧離子位于相鄰兩個A陽離子中間。3. 如果以A陽離子為中心觀察，A陽離子組成一個六方密堆層，

6、在此密堆層的基本單元內(nèi)有一個氧負(fù)離子密堆單元。這是一個負(fù)電荷集中區(qū)，為了使三個氧負(fù)離子穩(wěn)定的結(jié)合在一起，B陽離子必須也位于此中心，以A陽離子為結(jié)點(diǎn)堆垛形成立方點(diǎn)陣時，在其密堆單元中的氧負(fù)離子密堆單元相互旋轉(zhuǎn)60°，形成六配位的八面體空間，B陽離子位于此中心。B陽離子位于過渡金屬，其d電子軌道雜化，與6個氧離子的價層軌道重疊而結(jié)合。5在A陽離子與氧陰離子的密堆積中，氧密堆單元中三個氧離子實際上分屬于三個氧立方點(diǎn)陣，加上A陽離子和B陽離子的立方點(diǎn)陣，五個立方點(diǎn)陣有序的穿插在一起，就構(gòu)成了鈣鈦礦晶體的單元晶胞。6圖1二、鈣鈦礦電池的結(jié)構(gòu)如圖介孔結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池為：FTO導(dǎo)電玻璃、Ti

7、O2介孔層、鈣鈦礦層、HTM層、金屬電極，在此基礎(chǔ)上，又把多孔支架層n型半導(dǎo)體TiO2換成絕緣材料Al2O3，形成一種介觀超結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池，實現(xiàn)了10.49%的轉(zhuǎn)化率。隨后，韓宏偉教授采用C電極來替代有機(jī)HTM和Au電極，實現(xiàn)了10.64%的轉(zhuǎn)化率。4鈣鈦礦電池中致密的TiO2作為阻擋層，在FTO與TiO2之間形成了肖特基勢壘，有效的阻止了電子在FTO和HTM及空穴由HTM向FTO的回流。致密的厚度對電池的性能起著重要的影響，一般在40-70nm。5電子傳輸層需要具有較高的電子遷移率，其導(dǎo)帶最小值要高于鈣鈦礦才考的導(dǎo)帶最小值，便于接受有鈣鈦礦層傳輸?shù)碾娮樱⑵鋫鬏數(shù)紽TO電極中。目

8、前鈣鈦礦電池中多采用介孔TiO2作為ETM。介孔TiO2曾德厚度對電池的短路電流影響不大，但對開路電壓影響顯著，但TiO2的制備過程需要經(jīng)過500的高溫?zé)崽幚恚@使得電池襯底的選擇性受到很大限制。鈣鈦礦作為吸收層，在電池中起著至關(guān)重要的作用，以CH3NH3PhI3為例，鈣鈦礦薄膜作為直接帶隙半導(dǎo)體，禁帶寬度為1.55eV，電導(dǎo)率為10-3S/m3，載流子遷移率為50cm2/(V*s),吸收系數(shù)105，消光系數(shù)較高，幾百納米厚薄膜就可以充分吸收800nm以內(nèi)的太陽光，對藍(lán)光和綠光的吸收明顯強(qiáng)于硅電池，且鈣鈦礦結(jié)晶具有幾近完美的結(jié)晶度，極大地減小了載流子復(fù)合，增加了載流子擴(kuò)散長度，可達(dá)1m，這些特

9、性使得鈣鈦礦電池表現(xiàn)出有意的性能。5圖2三、鈣鈦礦薄膜的制備方法鈣鈦礦材料可譯采用多種方法進(jìn)行制備，比較常見的有一步溶液法，兩步溶液法，蒸發(fā)法和溶液-氣相沉淀法。8一步法目前應(yīng)用較為廣泛，以CH3NH3PhI3為例。將PhX2與CH3NH3I以一定的摩爾比例混合溶于DMF溶液中，攪拌溶液澄清，以旋涂或滴涂的方式將溶液沉淀到ETM中，隨后對薄膜進(jìn)行熱處理，即可形成鈣鈦礦薄膜材料。目前采用一步法制得鈣鈦礦電池的最高轉(zhuǎn)化率為19.3%。兩步法指現(xiàn)將PhI2粉末溶于DMF溶液中，70加熱攪拌至澄清后旋涂到介孔TiO2上；曬干后，將襯底浸入含CH3NH3PhI3的異丙醇溶液中，隨后熱處理即可知的鈣鈦礦薄

10、膜。與一步法相比，兩步法能夠更好地控制薄膜的形貌。雙源共蒸的方法，通過控制PhI2和CH3NH3I的蒸發(fā)速率來控制鈣鈦礦薄膜的形成，并由此形成了一種新型的平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)鈣鈦礦電池。與溶液法相比，采用蒸發(fā)法制備的鈣鈦礦薄膜表面更加均勻，且薄膜覆蓋率高，避免了HTM與ETM的直接接觸。8溶液法與蒸汽法混合，首先以旋涂的方式將含有PhI2的DMF溶液涂到TiO2上，再將之在150的Ch3NH3I蒸汽中熱處理2h，即可得到鈣鈦礦薄膜。這種方法制備的鈣鈦礦薄膜覆蓋率較高，表面均勻，進(jìn)一步改善了共蒸發(fā)過程中蒸發(fā)速率過快的問題，電池薄膜效率高達(dá)100%。與溶液法相比，所得薄膜粗糙度降低，晶粒尺寸變大。四、鈣鈦

11、礦電池的缺點(diǎn)首先，目前實驗室里制造的大部分是微小的，僅幾毫米大。相比之下，晶體硅太陽能電池單體片尺寸高達(dá)十幾厘米。實驗室很難生產(chǎn)出較大面積的鈣鈦礦連續(xù)薄膜。其次鈣鈦礦太陽能電池對氧氣非常敏感，會與其發(fā)生反應(yīng)進(jìn)而破壞晶體結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生水蒸氣，溶解鹽狀的鈣鈦礦。目前，最好的鈣鈦礦中鉛可能會濾出，對屋頂和土壤造成一定的污染。除此之外，鈣鈦礦電池還面臨著制造技術(shù)的瓶頸和器件測試方面的問題：空穴傳輸層價格昂貴和能量轉(zhuǎn)換效率測試時間回滯現(xiàn)象。4五、面臨問題和發(fā)展趨勢鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展現(xiàn)狀良好，但仍有若干關(guān)鍵因素可能制約鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展。7 電池穩(wěn)定性問題；吸收層中可能含有可溶性重金屬鉛； 現(xiàn)金鈣鈦礦

12、應(yīng)用最廣的旋涂法，但旋涂法難于沉淀大面積、連續(xù)的鈣鈦礦薄膜，故還需對其方法放進(jìn)行改造，以期能制備高效的大面積鈣鈦礦電池，便于以后的商業(yè)化生產(chǎn)； 鈣鈦礦太陽能電池理論研究還有待增強(qiáng)。3鈣鈦礦太陽能電池暴露在水中會發(fā)生反應(yīng)。使得鈣鈦礦太陽能電池很容易發(fā)生衰退，為解決這一問題，他們在鈣鈦礦層與HTM層中間增加了一層三氧化二鋁，既阻止了鈣鈦礦層與周圍空氣和水分的接觸而產(chǎn)生衰退效應(yīng)，也有效阻止了TiO2與spiro-OMeTAD之間的直接接觸，抑制了界面間的復(fù)合。1提高電池的效率和穩(wěn)定性，尋找低成本高性能的ETM。HTM層，并進(jìn)一步簡化電池結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)大面積制備電池工藝是未來主要研究內(nèi)容。2六、結(jié)語鈣鈦礦

13、太陽能電池雖然面臨著一定的問題，但在社會飛速發(fā)展，提倡科技創(chuàng)新的潮流下，這既是機(jī)遇又是挑戰(zhàn)，科學(xué)界一定不會放松對該領(lǐng)域的探索。我們的課題小組也緊跟時代的步伐與潮流，竭盡所能，為鈣鈦礦太陽能電池的蓬勃發(fā)展貢獻(xiàn)自己微小的力量。參考文獻(xiàn)1 趙雨，李惠，關(guān)雷雷，吳嘉，許寧等. 鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)發(fā)展歷史與現(xiàn)狀J 上海.復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院. 2014(3) 17-29 Zhao Y, Li H, Guan L L, Wu J, Xu N. The history and present situation of the development of technology of perovski

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