鈣鈦礦太陽能電池研究進(jìn)展

1、鈣鈦礦型太陽能電池簡介鈣鈦礦型太陽能電池簡介目錄目錄背景背景介紹介紹研究研究重點(diǎn)重點(diǎn)研究研究現(xiàn)狀現(xiàn)狀研究研究方向方向 應(yīng)用到太陽能電池中的鈣鈦礦具有應(yīng)用到太陽能電池中的鈣鈦礦具有ABX3結(jié)構(gòu)，一般為立方體或八面體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)，一般為立方體或八面體結(jié)構(gòu)，A為一種大的陽離子；為一種大的陽離子；B為小的金屬陽離子；為小的金屬陽離子；X為鹵素陰離子。為鹵素陰離子。 具有穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)、獨(dú)特的電磁性能以具有穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)、獨(dú)特的電磁性能以及很高的氧化還原、氫解、異構(gòu)化、及很高的氧化還原、氫解、異構(gòu)化、吸光性吸光性、電催化等活性，是一種新型的功能材料。電催化等活性，是一種新型的功能材料。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)

2、1 1、背景介紹、背景介紹甲胺碘化鉛甲胺碘化鉛（ CH3NH3PbI3 ） 2009年，年， Akihiro Kojima1首次將首次將CH3NH3PbI3和和CH3NH3PbBr3制備制備成成量子點(diǎn)量子點(diǎn)(9-10nm)應(yīng)用到太陽能電池中應(yīng)用到太陽能電池中(染料敏化太陽能電池，簡稱染料敏化太陽能電池，簡稱DSSC), 研究了在可見光范圍內(nèi)，該類材料敏化研究了在可見光范圍內(nèi)，該類材料敏化TiO2 的太陽能電池的性的太陽能電池的性能。最后，獲得了能。最后，獲得了3.8%的光電效率的光電效率。1 . Akihiro Kojima, Kenjiro Teshima. J. AM. CHEM. SOC

3、, 2009, 131: 60506051. 2011年年2，研究者將實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了改進(jìn)與優(yōu)化，制備的，研究者將實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了改進(jìn)與優(yōu)化，制備的CH3NH3PbI3量子點(diǎn)達(dá)到量子點(diǎn)達(dá)到2-3nm,電池效率增加了一倍達(dá)到了電池效率增加了一倍達(dá)到了6.54%2。 但是，由于部分但是，由于部分金屬鹵化物在液態(tài)電解質(zhì)中發(fā)生溶解金屬鹵化物在液態(tài)電解質(zhì)中發(fā)生溶解，很大程度上，很大程度上降低了電池的穩(wěn)定性與使用壽命，這是該電池的致命的缺點(diǎn)。降低了電池的穩(wěn)定性與使用壽命，這是該電池的致命的缺點(diǎn)。2. J.-H. Im, et al. Nanoscale, 2011, 3 : 4088-4093. 2012年年

4、3，科學(xué)家將一種固態(tài)的，科學(xué)家將一種固態(tài)的空穴導(dǎo)體材料空穴導(dǎo)體材料(hole transporting materials ,簡稱簡稱HTM)引入到太陽能電池中，使得電池效率達(dá)到引入到太陽能電池中，使得電池效率達(dá)到10%左左右。右。 HTM的使用，解決了電池的不穩(wěn)定與難封裝的問題，使得電池的的使用，解決了電池的不穩(wěn)定與難封裝的問題，使得電池的商業(yè)價(jià)值增加。再加上電池的效率大幅增加，并還有進(jìn)一步提升的可商業(yè)價(jià)值增加。再加上電池的效率大幅增加，并還有進(jìn)一步提升的可能性，正式開啟了鈣鈦礦太陽能電池的研究熱點(diǎn)。能性，正式開啟了鈣鈦礦太陽能電池的研究熱點(diǎn)。3. Jin Hyuck Heo, Sang H

5、yuk Im, et al. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 2071720721鈣鈦礦型電池結(jié)構(gòu)與工作原理鈣鈦礦型電池結(jié)構(gòu)與工作原理2.2.研究重點(diǎn)研究重點(diǎn)目前，鈣鈦礦型太陽能電池的研究發(fā)現(xiàn)目前，鈣鈦礦型太陽能電池的研究發(fā)現(xiàn)主要包括以下幾方面：主要包括以下幾方面：1.1. HTMHTM的種類及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的種類及結(jié)構(gòu)優(yōu)化2.2. 金屬金屬- -半導(dǎo)體界面問題半導(dǎo)體界面問題3.3. 電池制備方法優(yōu)化電池制備方法優(yōu)化4.4. 鈣鈦礦的種類（鈣鈦礦的種類（ CH3NH3PbI3和和CH3NH3PbBr3 、 CH3NH3PbI3 xClx、CsSnI3等等）5.5. 理論研究理

6、論研究3.3.研究進(jìn)展研究進(jìn)展 2013年年4， Hui-Seon Kim等人將等人將spiro-OMeTAD作為空穴導(dǎo)作為空穴導(dǎo)體材料應(yīng)用到太陽能電池中，有效實(shí)現(xiàn)了電池效率的提升；體材料應(yīng)用到太陽能電池中，有效實(shí)現(xiàn)了電池效率的提升； 4. Hui-Seon Kim, Jin-Wook Lee, et al. Nano Lett. 2013, 13, 24122417 2013年年5，研究者研究了三種不同的，研究者研究了三種不同的HTM對電池性能的影響。對電池性能的影響。 1. spiro-OMeTAD, 2. poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) P3HT3. 4-

7、(diethylamino)-benzaldehyde diphenylhydrazone DEH 三者的效率依次為三者的效率依次為8.5%, 4.5%, 和和 1.6%。 spiro-OMeTAD具有較高的效具有較高的效率，是因?yàn)檩d子在其中具有較高的壽命，電荷與空穴的分離速度快，有效抑率，是因?yàn)檩d子在其中具有較高的壽命，電荷與空穴的分離速度快，有效抑制了電子的復(fù)合。制了電子的復(fù)合。5. Dong qin Bi, Lei Yang，et al. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 153215366J.M.Ball, M. M. Lee, et al. Energy E

8、nviron. Sci., 2013,6, 1739-1743 考慮到電池中載流子的傳遞過程，既可以選擇導(dǎo)電的介孔材考慮到電池中載流子的傳遞過程，既可以選擇導(dǎo)電的介孔材料做電子導(dǎo)體，也可選擇不能導(dǎo)電的介孔材料為電子傳遞介質(zhì)。料做電子導(dǎo)體，也可選擇不能導(dǎo)電的介孔材料為電子傳遞介質(zhì)。研究者將研究者將AlAl2 2O O3 3替代部分替代部分TiOTiO2 2作為電子傳遞介質(zhì)，進(jìn)行了研究發(fā)現(xiàn)作為電子傳遞介質(zhì)，進(jìn)行了研究發(fā)現(xiàn)電池效率達(dá)到了電池效率達(dá)到了12.3%12.3%66?；诖耍€有采用。基于此，還有采用ZrOZrO2 2做電子傳遞層。做電子傳遞層。 2014年年7，我國中科院研究者為了，我國中

9、科院研究者為了改善金屬改善金屬-半導(dǎo)體界面的半導(dǎo)體界面的電子傳輸性電子傳輸性 在兩者間引入了一層薄寬禁帶度的有機(jī)半導(dǎo)體，在兩者間引入了一層薄寬禁帶度的有機(jī)半導(dǎo)體，N，N ， N，N -四苯基聯(lián)苯胺四苯基聯(lián)苯胺(TPB),以此提高了界面電阻（以此提高了界面電阻（EIS），），有效抑制了界面的電子復(fù)合有效抑制了界面的電子復(fù)合(暗電流暗電流)，使得電池效率由，使得電池效率由5.26%提提升到升到6.26%,最高達(dá)到最高達(dá)到6.26%。7. Yuzhuan Xu, Jiangjian Shi, et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 56515656 2

10、014 2014年年88，我國中科院的研究者采用，我國中科院的研究者采用兩步沉積法兩步沉積法對對CHCH3 3NHNH3 3PbIPbI3 3層進(jìn)層進(jìn)行了優(yōu)化。增強(qiáng)了行了優(yōu)化。增強(qiáng)了CHCH3 3NHNH3 3PbIPbI3 3層的穩(wěn)定性與光的捕獲能力，電池效率達(dá)層的穩(wěn)定性與光的捕獲能力，電池效率達(dá)到了到了10.47%10.47%，開路電壓達(dá)到了，開路電壓達(dá)到了948mV948mV。8. Shi J, Luo Y, Wei H, et al. ACS applied materials & interfaces, 2014.瞬態(tài)光致發(fā)光圖譜瞬態(tài)光致發(fā)光圖譜 為了改善為了改善TiO2高溫

11、處理可能會影響技術(shù)的應(yīng)用廣泛度，研究者高溫處理可能會影響技術(shù)的應(yīng)用廣泛度，研究者9采用在低溫（采用在低溫（120）的條件下，在剛性和柔性基底（）的條件下，在剛性和柔性基底（聚對苯二甲酸聚對苯二甲酸乙酯乙酯）上制備了太陽能電池。剛性基底上效率達(dá)到）上制備了太陽能電池。剛性基底上效率達(dá)到11.5%，柔性基底，柔性基底上達(dá)到上達(dá)到9.2%9Jingbi You, Ziruo Hong, et al.Nano Letters 2014, 8(2): 16741680 20142014年年1010，有研究者制備了，有研究者制備了PbSPbS/CH/CH3 3NHNH3 3PbIPbI3 3 (=MAP)

12、(=MAP)核核/ /殼結(jié)構(gòu)的殼結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池，并將其的光電性能，與只有鈣鈦礦太陽能電池，并將其的光電性能，與只有PbSPbS時(shí)作了對比；發(fā)時(shí)作了對比；發(fā)現(xiàn)應(yīng)用核現(xiàn)應(yīng)用核/ /殼可以增加光在太陽能電池中的散射，從而提高光的捕獲，殼可以增加光在太陽能電池中的散射，從而提高光的捕獲，使得對光的利用率增加，效率也就增加。使得對光的利用率增加，效率也就增加。10. Gabseok Seo, Jangwon Seo, et al. J. Phys. Chem. Lett, 20144. 4. 研究方向研究方向 就目前來看，鈣鈦礦太陽能電池盡管電池的轉(zhuǎn)換效率有了一定的就目前來看，鈣鈦礦太陽能電池盡管電池的轉(zhuǎn)換效率有了一定的提升，提升，最高效率達(dá)到最高效率達(dá)到16%16%左右左右，但是仍然存在以下問題：，但是仍然存在以下問題：1.1. 效率低，沒有達(dá)到理論的目標(biāo)（效率低，沒有達(dá)到理論的目標(biāo)（20%20%）；）；2.2. 電子復(fù)合嚴(yán)重；電子復(fù)合嚴(yán)重；3.3. 理論研究不夠。理論研究不夠。研究方向：研究方向：1.1. 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，找尋最佳的實(shí)驗(yàn)條件；優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，找尋最佳的實(shí)驗(yàn)條件