新能源——鈣鈦礦太陽能電池簡介

1、新能源一一鈣鈦礦太陽能電池簡介鈣鈦礦型太陽能電池（perovskitesolarcell是利用鈣鈦礦型的有機金屬鹵化物半導(dǎo)體作為吸光材料的太陽能電池，屬于第三代太陽能電池，也稱作新概念太陽能電池。引言太陽能電池是一種通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)反應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。1839年，法國物理學(xué)家Becquerel發(fā)現(xiàn)了光生伏特效應(yīng)，1876年，英國科學(xué)家Adams等人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)太陽光照射硒半導(dǎo)體時，會產(chǎn)生電流。這種光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理是，當(dāng)太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)區(qū)上，會激發(fā)形成空穴-電子對（激子）在p-n結(jié)電場的作用下，激子首先被分離成為電子與空穴并分別向陰極和陽極輸運。光生空穴流向p區(qū)

2、，光生電子流向n區(qū)，接通電路就形成電流。Fritts在1883年制備成功第一塊硒上覆薄金的半導(dǎo)體/金屬結(jié)太陽能電池，其效率僅約1%。1954年美國貝爾實驗室的Pearson.Fuller和Chapin等人研制出了第一塊晶體硅太陽能電池，獲得4.5%的轉(zhuǎn)換效率，開啟了利用太陽能發(fā)電的新紀(jì)元。此后，太陽能技術(shù)發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段:第一代太陽能電池主要指單晶硅和多晶硅太陽能電池，其在實驗室的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)分別達(dá)到25%和20.4%;第二代太陽能電池主要包括非晶硅薄膜電池和多晶硅薄膜電池。第三代太陽能電池主要指具有高轉(zhuǎn)換效率的一些新概念電池，如染料敏化電池、量子點電池以及有機太陽能電池等。鈣鈦礦太

3、陽電池結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)鈣鈦礦晶體為ABX3結(jié)構(gòu)，一般為立方體或八面體結(jié)構(gòu)。在鈣鈦礦晶體中，A離子位于立方晶胞的中心，被12個X離子包圍成配位立方八面體，配位數(shù)為12;B離子位于立方晶胞的角頂，被6個X離子包圍成配位八面體，配位數(shù)為6,如圖所示，其中，A離子和X離子半徑相近，共同構(gòu)成立方密堆積。鈣鈦礦太陽電池中，A離子通常指的是有機陽離子，最常用的為CH3NH3(RA=0.18nm),其他諸如NH2CH=NH2(RA=0.23nm),CH3CH2NH3(RA=0.19-0.22nm)也有一定的應(yīng)用。B離子指的是金屬陽離子，主要有Pb2(RB=0.119nm和Sn2(RB=0.110nm)。X離子為鹵

4、族陰離子，即I(RX=0.220nm)、Cl(RX=0.181nm)和Br(RX=0.196nm)。蚩Ep晉J;電池結(jié)構(gòu)介紹介孔結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽電池為:FTO導(dǎo)電玻璃、TiO2致密層、TiO2介孔層、鈣鈦礦層、HTM層、金屬電極。在此基礎(chǔ)上，Snaith等把多孔支架層n型半導(dǎo)體TiO2換成絕緣材料AI2O3,形成一種介觀超結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)型太陽電池。更進(jìn)一步地，去掉絕緣的支架層，制備出具有類似于p-i-n結(jié)構(gòu)平面型異質(zhì)結(jié)電池。Gratzel等還在介孔結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上將HTM層直接去掉，形成CH3NH3Pbl3/TiO2異質(zhì)結(jié)，制備出一種無HTM層結(jié)構(gòu)。此外，Malinkiewicz等人把鈣鈦礦材料作為吸

5、光層用于有機太陽能電池的結(jié)構(gòu)中。鈣鈦礦太陽能電池工作原理在接受太陽光照射時，鈣鈦礦層首先吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對。由于鈣鈦礦材激子束縛能的差異，這些載流子或者成為自由載流子，或者形成激子。而且，因為這些鈣鈦礦材料往往具有較低的載流子復(fù)合幾率和較高的載流子遷移率，所以載流子的擴散距離和壽命較長。然后，這些未復(fù)合的電子和空穴分別被電子傳輸層和空穴傳輸層收集，即電子從鈣鈦礦層傳輸?shù)降入娮觽鬏攲?，最后被FTO收集;空穴從鈣鈦礦層傳輸?shù)娇昭▊鬏攲?，最后被金屬電極收集，當(dāng)然，這些過程中總不免伴隨著一些使載流子的損失，如電子傳輸層的電子與鈣鈦礦層空穴的可逆復(fù)合、電子傳輸層的電子與空穴傳輸層的空穴的復(fù)合（鈣鈦

6、礦層不致密的情況）、鈣鈦礦層的電子與空穴傳輸層的空穴的復(fù)合。要提高電池的整體性能，這些載流子的損失應(yīng)該降到最低。最后，通過連接FTO和金屬電極的電路而產(chǎn)生光電流。面臨問題及發(fā)展趨勢鈣鈦礦太陽電池發(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電池的發(fā)展1、電池的穩(wěn)定性問題。2、吸收層中含有可溶性重金屬Pb3、現(xiàn)今鈣鈦礦應(yīng)用最廣的為旋涂法，但是旋涂法難于沉積大面積、連續(xù)的鈣鈦礦薄膜，故還需對其他方法進(jìn)行改進(jìn)，以期能制備高效的大面積鈣鈦礦太陽電池，便于以后的商業(yè)化生產(chǎn)。4、鈣鈦礦太陽電池的理論研究還有待增強。中國科學(xué)家鈣鈦礦太陽能電池量產(chǎn)進(jìn)展鈣鈦礦作為一種人工合成材料，在2009年首次被嘗試應(yīng)用于光伏發(fā)電領(lǐng)域后，因為性能優(yōu)異、成本低廉、商業(yè)價值巨大，從此大放異彩。近年，全球頂尖科研機構(gòu)和大型跨國公司，如牛津大學(xué)、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院、日本松下、夏普、東芝等都投入了大量人力物力，力爭早日實現(xiàn)量產(chǎn)。2017年2月，纖納光電以15.2%的轉(zhuǎn)換效率，首次打破此前長期由日本保持的鈣鈦礦小組件的世界效率紀(jì)錄。此后，分別在當(dāng)年5月和12