固體電子結(jié)構(gòu)與相變

鈣鈦礦太陽能電池學生：賈福金導師：郭艷群CONTENTS目錄1234研究背景與太陽電池的分類鈣鈦礦太陽電池的結(jié)構(gòu)鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽電池的工作機理研究進展以及面臨的問題5一、研究背景與太陽電池的分類研究背景：化石能源不斷消耗可再生能源太陽能取之不盡太陽電池的分類：按照太陽能電池發(fā)展歷程與制作材料可將其分為以下三代第一代太陽能電池,即硅太陽能電池,包括單晶硅、多晶硅及非晶硅太陽能電池。第二代太陽能電池,即化合物薄膜太陽能電池,主要包括Ⅲ-V族化合物CdTe、CdS、CuInSe、GaAs、銅銦鎵硒(CIGS)等。第三代太陽能電池是新型薄膜太陽能電池,主要包括有機聚合物太陽能電池、量子點太陽能電池、染料敏化太陽能電池(Dye-sensitizedsolarcells,DSCs)及鈣鈦礦太陽能電池(Perovskitesolarcells,PSCs)等。二、鈣鈦礦太陽電池的結(jié)構(gòu)核心電子收集層（可去除）Au，Ag（TCO玻璃基底）

鈣鈦礦太陽電池主要由以下四個部分組成。一是電子收集層,其主要作用是負責傳輸電子與收集電子的作用,主要有無機半導體Ti02,ZnO等；二是有機-無機鈣鈦礦光吸收層,例如CH3NH3Pbl3,CH3NH3Pbl2Cl,CH3NH3PbBr3等；三是空穴傳輸層(Holetransportmaterial,HTM),如Spiro-OMeTAD；四是背電極,主要是Au,Ag等。致密層(compactlayer)又被稱為阻擋層(blockinglayer),致密層在PSCs中主要有兩個作用,一是減少導電基底界面電子復合,二是提供合適的導帶位置使光生電子可以有效注入。有機-無機鈣鈦礦是一種具有鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的半導體染料,目前其能帶寬度分布在1.48～2.23ev，因此其在可見光范圍內(nèi)有非常好的吸收。空穴傳輸劑有機溶劑電解質(zhì)三苯胺類衍生物Spiro-OMeTAD作為固態(tài)空穴傳輸劑三、鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)

鈣鈦礦層是該太陽能電池的核心，它的性質(zhì)直接決定了器件性能的優(yōu)劣。鈣鈦礦是一種具有晶體結(jié)構(gòu)的材料，A是即甲胺基，M是Pb原子，X是I、Cl、Br等鹵素原子。目前，用于太陽電池的最常見鈣鈦礦料具有鐵電性，反鐵磁性，超導電性等多種物理性質(zhì)。此外更重要的是，太陽能電池中的鈣鈦礦層吸光性較強，載流子受光激發(fā)易分離難復合，這也是以它為吸光層的電池能獲得高效率的原因。這種材料的結(jié)構(gòu)中Pb位于八面體的核心，頂角位置是I、Cl、Br原子，立方晶格的頂角位置是，結(jié)構(gòu)如圖所示（X為鹵素原子，A為甲胺基團，M為鉛原子）。四、鈣鈦礦電池的工作機理

空穴HTM→空穴傳輸層①有機-無機鈣鈦礦光敏劑受到太陽光作用后,有機-無機鈣鈦礦中就會產(chǎn)生電子()與空穴()。②鈣鈦礦層中的產(chǎn)生電子擴散到n-型半導體界面時被迅速注入其導帶中。③然后導帶中的電子被導電基底收集進而傳遞至外電路。④空穴被HTM傳輸?shù)奖畴姌O（Au或Ag）。⑤將背電極與導電基底用導線連接形成回路。光敏劑，又稱增感劑，敏化劑，光交聯(lián)劑。在光化學反應中，把光能轉(zhuǎn)移到一些對可見光不敏感的反應物上以提高或擴大其感光性能的物質(zhì)。導帶是由自由電子形成的能量空間。即固體結(jié)構(gòu)內(nèi)自由運動的電子所具有的能量范圍。對于半導體，所有價電子所處的能帶是所謂價帶，比價帶能量更高的能帶是導帶。五、研究進展以及面臨的問題

對比幾種薄膜太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率近20年來的提升情況。相比于有機(OPV)、染料敏化(DSSC)和非晶硅(a-Si)太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池效率的提升速度驚人。一開始，其電池的光電轉(zhuǎn)換效率只有3.8%，2014年初，韓國化學技術(shù)研究所（KRICT）將該效率提升到17.9%。2014年5月，加州大學洛杉磯分校(UCLA)的Yang等已經(jīng)將此效率提升到19.3%。這種發(fā)展速度是前所未有的，值得研究者高度重視。圖幾種薄膜太陽能電池PCE近20年來的提升情況

近幾年內(nèi),有機無機鹵素鈣鈦礦太陽電池得到了快速的發(fā)展。但是,由于鈣鈦礦材料對水分敏感,易于降解,從而使得鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性較差。同時,由于材料中含有毒性元素Pb,在一定程度上限制了韓鈦礦電池的發(fā)展。(1)設(shè)計幵發(fā)無Pb鈣鈦礦或者類鈣鈦礦光敏劑,從而降低環(huán)境污染;(2)電池的穩(wěn)定性需要進一步提高;根據(jù)目前的研宄成果,有機-無機鈣鈦礦的熱穩(wěn)定急需解決,此外空穴傳輸材料及其添加劑的揮發(fā)性和穩(wěn)定性也需要解決;使用碳背電極取代Au和Ag背電極也是有望解決其穩(wěn)定性差和成本較高的非常有效的途徑之一;(3)介觀、超介觀、平板鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)和工作機理仍然需要深入研究;(4)有機-無機鈣鈦礦非常適合低溫溶液法制備,因此幵發(fā)低溫全溶液法制備有機-無機鈣鈦礦電池具有很好的前景;(5)可以通過優(yōu)化各功能層(電子收集層、多孔層、鈣鈦礦層、碳層)的厚度,提高界面電子-空穴的提取效率,修飾器件的各個功能層使其能級更加匹配等方面,進一步提高基于碳背電極的PSCs的能量轉(zhuǎn)化效率。參考文獻[1]AKIHIROK,KENJIROTESHIMA,YASUOS,etal.Organometalhalideperovskitesasvisible-lightsensitizersforphotovoltaiccells[J].JAmChe