钙钛矿太阳能电池研究进展

高等工程热力学钙钛矿太阳能电池研究进展孙皓美国国家可再生能源实验室（NREL）4月11日资料有机金属卤化物钙钛矿结构太阳能电池的发展200920142016效率仅为3.8%效率达到18.3%效率最高达22.1%1基本结构与电池构造钙钛矿ABX3结构示意图典型钙钛矿太阳能电池结构示意图介观结构钙钛矿太阳能电池平面异质结构钙钛矿太阳能电池2主要发展方向钙钛矿太阳能电池的主要发展方向提高电池转换效率提高电池稳定性实现环境友好化新材料和新电池结构的尝试改进钙钛矿电池的制备工艺界面调控提高电池转换效率界面调控Shen等人利用瞬态吸收技术在不同的时间尺度下对电子和空穴的分离、复合进行了测试,发现提高载流子传输速率的关键在于减少界面处的复合.通过提高传输材料对电子和空穴的吸收效率,实现材料表面钝化均可以有效降低载流子复合几率.Mosconi等人研究发现,氯离子在钙钛矿层和电子传输层界面聚集,有助于使能带弯曲,产生电子隧穿效应,提高电荷吸收效率.在材料表面钝化方面,Chen等人通过热处理手段实现可控的材料表面钝化.Noel等人则通过路易斯碱处理的方法实现表面钝化,大幅提高载流子传输速率,得到了16.3%的电池转换效率.Ogomi等人在钙钛矿材料和二氧化钛材料之间引入HOCO-R-NH3+I-单分子层作为连接层,减少了载流子的复合,同时实现了对CH3NH3PbI3晶粒生长的控制.Zhou等人通过优化钙钛矿材料和其他载流子传输材料(Y-TiO2,环二芴(spiro-OMeTAD),金电极),精确控制实验参量,实现了在低温、空气条件下薄膜电池的大面积制备,并得到了19.3%的高电池转换效率。新材料和新电池结构的尝试目前,钙钛矿太阳能电池最常用的材料是用CH3NH3PbI3作为光吸收层,用TiO2作为电子传输层,用spiro-OMeTAD作为固态空穴传输层,最初的转换效率达到了8.3%。在电子传输层方面,常用的材料有TiO2和ZnO.相比于TiO2,以ZnO为电子传输材料的钙钛矿电池的光电流能更快速、更充分的达到饱和,证明了ZnO是一种更为理想的电子收集材料.在ZnO纳米颗粒中掺杂Al得到了10.7%的转换效率。在空穴传输材料方面,目前常用的spiro-OMeTAD是一种相对比较昂贵的有机物,使电池成本提高,不利于进一步的商业应用,因此人们尝试了很多能够代替spiro-OMeTAD的材料,在保证转换效率的同时实现环境友好、低成本、易制备的多重目的。新材料和新电池结构的尝试CH3NH3PbInBr3n就可以作为空穴传输材料同时也可以起到吸收光的作用,电池转换效率可达8.54%。Mei等人制备出TiO2和ZrO2介观双分子层,使钙钛矿材料分散其中,实现了良好的界面接触,电池转换效率达12.8%,是目前为止报道的无空穴传输层电池中的最高值.Seo等人对平面异质结结构的太阳能电池进行改进,在电子传输层和钙钛矿材料层之间沉积一层PCBM([6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯),实现了14.1%的转换效率.Loeper等人制备了一种钙钛矿/Si结构的串联电池组,预测理想状态下的效率可达35.67%.这种电池可以看做是钙钛矿薄膜电池和传统硅太阳能电池的结合,是未来比较有潜力的发展方向之一.改进钙钛矿电池的制备工艺钙钛矿太阳能电池作为一种新型的薄膜太阳能电池,其制备工艺与其他薄膜电池类似,例如旋转涂覆法(溶液旋涂法)、真空蒸镀法(气相法)等.无论何种制备方法都以制备高纯度、缺陷少、高覆盖率、致密的钙钛矿层薄膜与传输层薄膜为目的,其本质在于改善不同层结构之间的电学接触,降低缺陷密度,减少载流子在传输过程中的损耗,从而实现高的电池转换效率.目前,最常见且发展最快、应用最广的制备方法是溶液旋涂法,即将前驱体溶液滴落在高速旋转的基底上从而形成薄膜的方法.溶液旋涂法可以制备出高效率的钙钛矿电池。3总结美国国家可再生能源实验室（NREL）4月11日资料亟需突破的问题缺少解释电池转换效率提高原因的完备理论如何兼顾提高稳定性和转换效率如何实现大面积连续制备保持环境友好同时兼顾高转换效率高等工程热力学谢谢