钙钛矿太阳能电池技术与发展

2020/2/29WeipingWang框架引言钙钛矿晶体结构和光伏特性钙钛矿材料的制备方法与形貌控制钙钛矿太阳能电池的结构优化钙钛矿太阳能电池的稳定性总结引言钙钛矿太阳能电池自2009年被提出以来取得了迅猛的发展，其性能甚至超越了其他类型的电池多年的积累。因其有着很好的光吸收特性以及载流子输运特性，同时又是直接带隙半导体材料，特别适合于制作太阳能。在2013年被Science评委国际十大科技进展之一。截至目前，被认证的最高效率已达到22.1%，未来仍有望突破，逼近SQ理论极限。PPT模板下载：行业PPT模板：节日PPT模板：素材下载：背景图片：图表下载：优秀PPT下载：教程：教程：教程：资料下载：课件下载：范文下载：试卷下载：教案下载：论坛：一、钙钛矿晶体结构和光伏特性1.1历史与发展索引结果数量效率由3.8%至22.1%仅用7年相关研究成果这三年发展迅速，被誉为“光伏领域的新希望”索引词“organic-inorganicperovskitesolarcell”相变分析容忍因子八面体扭转体积参数法SPuDS软件模拟一、钙钛矿晶体结构和光伏特性1.2钙钛矿结构Requirement1.tolerancefact:0.78t1.052.octahedralfact:0.44u0.90)(2XBXARRRRtXBRRuABX3CH3NH3PbI3离子构成A：CH3NH3+，NH=CH3+，位于晶格八个定点B：Pb2+，Sn2+等金属离子，位于体心X：卤素离子占据面心一、钙钛矿晶体结构和光伏特性1.3元素调控调控位置A：膨胀或收缩晶格从而改变带隙MA,FA,CsB：Ge,Sn,Pb,Cu等X：比例掺杂Br-I，Cl-Br等一、钙钛矿晶体结构和光伏特性1.4电池基本结构需要多孔层厚度~500nm形貌稳定重复性好回滞不明显易漏电开路电压低层叠结构厚度~400nm制作简单开路电压高重复性较差形貌不稳定回滞较明显介孔结构平面异质结结构（p-i-n）钙钛矿电池的发展过程最佳结构二、钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2.1一步旋涂法不同前驱液配比PbI2：MAI不同退火温度常见参数：溶剂：DMF，GBL，DMSO配比：PbI2：MAI=1：1，PbCl2：MAI=1:3旋涂速度：2000-4500rpm退火温度：常温~130°C溶液浓度：1M优点：•操作简单•应用广泛•研究成果多不同退火时长不足：•对条件特别敏感•成膜不均匀•覆盖率不高•重复性低二、钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2.1一步旋涂法2.1.1溶剂的选择DMF：形成针状晶体GBL：形成团簇晶体DMF/DMAc混合溶剂GBL/DMSO混合溶剂混合溶剂能够使钙钛矿材料形成中间相，放缓钙钛矿的结晶速度，形成更致密且均匀的钙钛矿层二、钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2.1一步旋涂法2.1.2添加剂不同量的MACl对形貌的影响增加MACl就要相应的延长退火时间介孔结构平面结构其它常见添加剂：NH4Cl，二碘代烷，DIO，HBr，水减慢钙钛矿结晶过程，使得原本针状的聚集的晶体变成了较小的晶体，由此实现了大覆盖率00.51.02.0不同量的MACl二、钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2.1一步旋涂法2.1.3快速沉积结晶法（FDC）FDC传统方法FDC法：晶粒尺寸明显增大，表面平整度提高，覆盖率高将旋涂后仍潮湿的MAPbI3薄膜中立即投入12种不良溶剂，让DMF迅速被不良溶剂萃取，薄膜中过饱和度迅速升高，成核过程早于晶体生长二、钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2.1一步旋涂法2.1.4热涂附技术将热的前驱体溶液旋涂于并稳定保持在180°C的基板上，由于基板温度远远高于结晶温度，过量的溶液延长了晶体的生长，获得了晶体尺寸为1-2mm的钙钛矿薄膜。器件重复性高，最高效率达到18%无回滞现象电荷迁移率大二、钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2.2分步液浸法常见参数：溶剂：DMF，GBL，DMSO溶液浓度：PbI2(1M),MAI(5mg/ml)旋涂速度：2000-4500rpm浸泡时长：1min退火温度：常温~130°C优点：•重复性好•可控性高•均一性高•形貌易控制不足：•不适用平面结构•只能制备200nm厚的钙钛矿平面薄膜异质结电池实验方法：在多孔层上旋涂PbI2，使其均匀进入多孔层，干燥后，在浸泡于MAI溶液中，反应约1min，用异丙醇冲洗多余的MAI，退火烘干。二、钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2.2分步液浸法2.2.1湿润控制与浸泡温度退火前，以异丙醇湿润表面，通过精确控制湿润步骤和使用较高的浸泡反应温度，加快钙钛矿晶体的生长，使钙钛矿与空穴传输层之间的界面变得粗糙且连续。湿润时长，粗糙度钙钛矿与空穴层粗糙的界面加强了光散射实现了器件在长波范围的吸收增强，同时也有利于电荷传输。相应的电池效率达到10%以上。二、钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2.2分步液浸法2.2.2多孔碘化铅在手套箱中氮气氛围保护下，常温挥发，达到预期PbI2的生长时间后将衬底加热至70°C即可瞬间完全挥发，以此实现在平面基底上构建出具有多孔结构的PbI2薄膜。多孔结构的存在，MAI溶液可以迅速扩散值PbI2薄膜内部的各个空隙。成了互相交错连接的致密晶体薄膜，器件效率得到了显著提升反复多次浸泡能进一步提升晶体质量和颗粒尺寸，并抑制回滞效应二、钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2.3两步旋涂法常见参数：溶剂：DMF，GBL，DMSO，异丙醇溶液浓度：PbI2(1M),MAI(0.3~0.6M)旋涂速度：2000rpm反应时长：大于30min退火温度：大于100°C优点：•精确定量方法•适用于平面结构•可控性高•均一性高•形貌易控制不足：•退火温度高•反应时间长实验方法：是分步液浸法的衍生。首先旋涂PbI2薄膜，之后在旋涂适量的MAI溶液于其上层，通过后退火的过程实现两层薄膜之间的互相扩散和反应。二、钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2.3两步旋涂法2.3.1形貌优化影响形貌的参数MAI溶液浓度溶剂退火退火时长延长退火时间，晶体尺寸增大在DMF气氛下退火，表面平整，晶粒尺寸增大MAI溶液浓度MAI溶液变小，晶粒变大二、钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2.4气相法（1）优点：•薄膜非常均匀且平整•适用于平面结构•可控性高•重复性好不足：•需要对成分精确控制，不易掌握•需在真空下进行，成本高•不利于大面积制备•需要长时间反应•不适用多孔结构气相沉积法：用PbCl2和MAI在真空下进行混蒸辅助气相沉积法：先旋涂PbI2薄膜，烘干后，在MAI气氛下退火12.1%15%二、钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2.4气相法（2）分步气相法（SVD）：将PbCl2蒸镀成平整的薄膜，再在加热的衬底上蒸镀上MAI薄膜闪蒸法（FE）：将钙钛矿粉末作为蒸发源，利用较大的电流，瞬间蒸发形成薄膜CVD法：将MAI粉末至于高温段，通过氮气气流，MAI蒸汽到达放置了PbI2薄膜的低温段进行反应FECVDSVD二、钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2.5其他方法喷墨打印技术（IP）3D打印技术（3DP）超声喷涂（SP）手术刀刮涂（BC）3D打印手术刀刮涂喷涂二、钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2.6制备方法比较方法特点一步旋涂法简便，需要退火对于成膜条件非常敏感，形貌控制难度极大分步液浸法时效性高，反应迅速薄膜均一度、重复性高，可控性好两步旋涂法严格定量的方法，是分步液浸法的衍生法薄膜均一度、重复性高，可控性好气相沉积法只适用于平面结构，薄膜均一度非常高高真空耗费成本气相辅助溶液法：要耗费长时间进行退火三、钙钛矿太阳能电池的结构优化3.1介孔结构PSC3.1.1半导体介孔材料（TiO2）为解决介孔结构上钙钛矿负载量小，表面起伏较大等问题，制作工艺随之发展一步法两步法纳米碳管作为介孔材料三、钙钛矿太阳能电池的结构优化3.1介孔结构PSC3.1.1半导体介孔材料（ZnO）通过精确调控参数也使得该类型器件效率达到15.7%不需要经过高温烧结，工艺简单可运用雨柔性衬底钙钛矿形貌柔性电池三、钙钛矿太阳能电池的结构优化3.1介孔结构PSC3.1.1绝缘体介孔材料绝缘体介孔材料仅祈祷骨架辅助成膜作用，不参与载流子输运，在材料选择上具有很大自由度Al2O3介孔材料ZrO2介孔材料SiO2介孔材料三、钙钛矿太阳能电池的结构优化3.2平面结构PSC3.2.1溶液法一步法两步法三、钙钛矿太阳能电池的结构优化3.2平面结构PSC3.2.2气相法气相辅助沉积法（12.1%）混合共蒸(15.4%)三、钙钛矿太阳能电池的结构优化3.3反型结构PSC光线入射穿过顺序为HTM，perovksite，ETM不需要经过高温烧结过程，有利于器件向柔性化，功能化方向发展气相辅助法引入石墨烯，提高器件稳定性构造具有波纹状微结构的NiO薄膜三、钙钛矿太阳能电池的结构优化3.4空穴传输层优化3.4.1传统空穴材料的替代CuICuSCN常制备出的器件效率远低于使用有机空穴材料，使其无法完全替代spiro-OMeTAD三、钙钛矿太阳能电池的结构优化3.4空穴传输层优化3.4.2无空穴层PSC钙钛矿材料本身具有电子-空穴双重传输性，且载流子扩散距离长，允许不使用空穴材料首次实现无空穴层制作该太能矿电池，证明该结构的可行性次年该课题组通过参数控制，将效率提升至10.4%三、钙钛矿太阳能电池的结构优化3.4空穴传输层优化3.4.2无空穴层PSC——碳电极打印碳电极法碳电极/ZrO2，无空穴层结构下效率达到6.6%次年，改课题组经过一系列的薄膜改善以后，所制备出的电池效率可达12.8%，并表现出了很大的稳定性三、钙钛矿太阳能电池的结构优化3.5纤维型钙钛矿太阳能电池优点：•三维采光•柔性好，抗弯折不足：•效率低基本结构：中央使用不锈钢丝最为基底，最外侧采用透明电极材料碳纳米管通过温和的溶液方法，用ZnO阵列取代了TiO2多孔层。提高了钙钛矿材料的空隙渗透率，但是电池效率也仅从3.3%提升至3.8%四、钙钛矿太阳能电池的稳定性稳定性材料稳定性器件稳定性热稳定性湿度稳定性结构的设计结构的优化兼顾材料的吸收问题，选择合适的离子尽量选择疏水性材料产业化的难点？1.成本，2.稳定性从大量研究结果来看，通过元素工程设计晶体结构稳定的钙钛矿材料，并结合界面工程实现太阳能电池结构设计的优化，钙钛矿太阳能电池的稳定性问题是完全有希望解决五、总结简要介绍钙钛矿的材料特性和制备方法，以及目前国际上关于此类器件制作的研究进展。钙钛矿的结构以及元素调控的钙钛矿材料的制备与形貌调控钙钛矿电池器件的结构优化的钙钛矿电池稳定性的简要说明