1、钙钛矿太阳能电池调研报告报 告 人：李小磊指导老师：王金斌（教授）报告日期： 2014年 08月 27日ContentsClick to add Title1Click to add Title2Click to add Title13Click to add Title24文献研读想法汇总研究背景文献调研致 谢太阳能是一种丰富的清洁安全无污染的能源，充分研究开发好太阳能对人类社会的可持续发展极其重要。太阳能电池能够将太阳光转化为电能，研究开发出廉价高效的太阳能电池是市场所期待的。目前，传统硅系太阳能电池虽然仍占据着主要的市场份额，但因其诸多缺点使得太阳能电池的大面积推广使用障碍重重。为进一步
2、解决这些问题，新一代太阳能电池如染料敏化、有机太阳能电池、量子点太阳能电池等研究热潮不断兴起。虽然近年来这些新型的太阳能电池效率取得长足进步，但依然困难重重、不能满足当前太阳能电池技术快速发展的需求。1. 研究背景2009年， Akihiro Kojima1首次将 CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3制备成 量子点 (9-10nm)应用到太阳能电池中 (染料敏化太阳能电池，简称 DSSC), 研究了在可见光范围内，该类材料敏化 TiO2的太阳能电池的性能。最后，获得了 3.8%的光电效率 ,拉开了钙钛矿太阳电池研究的序幕。在随后短短的几年时间内，钙钛矿太阳电池技术取得了突飞猛进的进展，
3、能量转换效率已经超过了染料敏化太阳电池、有机太阳电池和量子点太阳电池。1 Kojima A, Teshima K, Shirai Y, et al. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cellsJ. Journal of the American Chemical Society, 2009, 131(17): 6050-6051.2011年 1，研究者将实验方案进行了改进与优化，制备的CH3NH3PbI3量子点达到 2-3nm,电池效率增加了一倍达到了 6.54%。但是，由
4、于部分金属卤化物在液态电解质中发生溶解，很大程度上降低了电池的稳定性与使用寿命，这是该电池的致命的缺点 。1. J.-H. Im, et al. Nanoscale, 2011, 3 : 4088-4093.2012年 1，科学家将一种固态的 空穴导体材料 (hole transporting materials ,简称 HTM)引入到太阳能电池中，使得电池效率达到 10%左右。HTM的使用，解决了电池的不稳定与难封装的问题，使得电池的商业价值增加。再加上电池的效率大幅增加，并还有进一步提升的可能性，正式开启了钙钛矿太阳能电池的研究热点。3. Jin Hyuck Heo, Sang Hyuk
5、Im, et al. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 2071720721目前 最高效率 的钙钛矿太阳能电池为加利福尼亚大学杨阳教授课题组的 19.3%2。2014年第一期英国 Nature周刊甚至预计今年钙钛矿太阳电池的能量转换效率会达到 20%，也就是达到目前技术已经比较成熟的 CuInGaSe薄膜太阳电池的水平，从而为钙钛矿太阳电池的产业化发展指明方向。2Zhou H, Chen Q, Li G, et al. Interface engineering of highly efficient perovskite solar cellsJ. Science, 2
6、014, 345(6196): 542-546.钙钛矿太阳能电池效率发展钙钛矿太阳能电池优势钙钛矿太阳能电池发展历程2. 文献调研钙钛矿太阳电池（ Perovskite Solar Cells） 是以具有钙钛矿结构的有机 -金属卤化物（简称：钙钛矿）等作为 核心光吸收 、 光电转换、光生载流子输运材料 的太阳电池。钙钛矿太阳电池所采用的这种具有钙钛矿结构的有机 -金属卤化物光吸收体具有 良好的光吸收 、 光电转换特性 以及优异的光生载流子输运特性 ，其电子与空穴 扩散长度 均可超过 1000 nm。2.1 钙钛矿太阳能电池原理与结构钙钛矿 CH3NH3PbX3结构1. Light extinc
7、tion coefficiency 10 times higher than Dyes2. Stability3. Bandgap controllableCH3NH3PbX3晶体结构随温度变化而变化-111 以下 正交结构-111 -54 四方结构54 以上 立方结构四方时为 铁电晶体顺电相 猜想： 四方结构时晶体自发极化，电荷中心偏移，使得电子空穴得以分离，离开相应晶胞？CH3NH3PbX3遇水 分解（稳定性问题）能带角度理解单纯从能量的角度看：吸光层产生电子 -空穴对后，子由吸光层材料 (CH3NH3PbX3)的导带传输到导带能量较低的 ETM材料 (TiO2)上，随后到达 FTO；空穴
8、由吸光层材料的价带传输到费米能级较高的 C材料上。因此，选择各功能层材料时要选择能带比较搭配的材料，利于电子 -空穴的分离及传输。形象化 p-i-n结（内建电场）角度理解该结构类似于 薄本征层异质结 HIT太阳能电池三洋双面 HIT结构示意图钙钛矿太阳能电池基本结构示意图介孔超结构钙钛矿太阳能电池TiO2与 Al2O3介孔支架材料主要是由于 TiO2与 Al2O3的带隙不同， Al2O3为绝缘材料（带隙 : 7-9 eV） .研究结果表明：CH3NH3PbI3的电子传输性能优于 TiO2，故采用 Al2O3作为介孔支架材料使得电子通过CH3NH3PbI3传输到电极材料中。平面异质结钙钛矿太阳能
9、电池2.2 PSCs各 层 材料能级：电子传输材料（左）吸收层（中） HTM（右）吸光层材料 （ ABX3）A离子 ： CH3NH3+NH2CH=NH2+5-AVA（ HOOC(CH2)4NH3+）Cs+等B离子 ： Pb2+Sn2+C离子 ： I- Cl- Br-例如 ： CH3NH3PbI3-xBrx CH3NH3PbI3-xClx CH3NH3SnI3-xBrx CH3NH3SnI3-xClxHole transport materials（ HTM）PEDOT:PSSspiroOMeTAD无机空穴传输材料：碘化铜 CuI、氧化镍 NiO、氧化石墨烯、 CuSCN、碳材料等电子传输层材料（ ETM）n-type TiO2致密层 -起传输电子、阻挡空穴的作用ZnO、 PCBM、金属： Au、 Ag、 Al、纳米银墨水新材料：碳材料（ Carbon)、炭黑等对 电极材料Al2O3 ZrO2 ZnO TiO2介孔支架材料2.3 PSC制备方法 、仪器、工业化技术Process for preparing the perovskite-based solid-state solar cell钙钛矿匀涂制作过程
