钙钛矿太阳能电池的发展与工作原理.

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图 1钙钛矿晶体结构图

进入 21世纪以来,随着世界人口的持 续增长, 工业化 、 城市化速度的加快, 能源的 消耗速度也越来越快 。 在不可再生能源煤 、 石油 、 天然气的储备量越来越少的情况下, 太阳能 —— — 一种庞大的 、 取之不尽用之不竭

的新型可再生能源受到业界的广泛关注 。

而 现如今, 天阳能最常见的利用方式就是太阳 能电池 。

1太阳能电池发展现状

迄今为止,太阳能电池一共可分为三 代,第一代太阳能电池为硅基太阳能电池 。 它凭借着较为成熟的技术与较高的光电转 化效率在光伏市场上找有 89%的巨大份额 。 其中,以单晶硅太阳能电池的转化效率最

高, 技术最为成熟, 应用最为广泛 。

但因其制 作成本较高, 使得其在大规模生产应用上受 到了限制 。

第二代太阳能电池是薄膜太阳能电池, 包括碲化镉 、 铜铟镓 硒化合物, 砷化镓电池等, 用气相沉积法得到薄膜 。 虽然, 第二代 太阳能电池拥有更短的能量偿还周期,但因其高额的制造成本 与较低的光电转化效率以及电池自身的稳定性不够好等缺点, 使得其并没有被广泛的应用 [1]。

第三代太阳能电池是近几年新兴的新型太阳能电池,它包 括染料敏化太阳能电池(DSSC, 量子点太阳能电池, 体异质结太 阳能电池(BSC等 。 作为一种新型的能源技术, 它具有成本低廉 、

制备简单等优点, 但是其转化效率有待提高 [2, 3]

。 对此以钙钛矿为 吸光材料的太阳能电池问世了 。

染料敏化太阳能电池是在 1991年被提出的, 当时的技术还

很不成熟, 因此效率还很低 [4]

。 直到 2011年, 科学家们尝试用多 孔的 TiO2、 有机敏化机和钴电解质制作的 DSSC 的效率达到了 12%.至此之后, DSSC 的效率并没有多大的提高 。 而第一次将钙 钛矿作为吸光材料制作 DSSC 是在 2009年,当时的效率只 有 3.8%。 经过了四年的改进, 2013年, 钙钛矿 DSSC 的效率已达到 了 15.9%。 而现如今,钙钛矿太阳能电池的效率 已经达到了 19.3%[5]。 这种效率高速的提升说明了钙钛矿太阳能电池具有着 很广泛的发展前景,同时也证明了钙钛矿太阳能电池将成为未 来太阳能电池领域发展的主流 。

2钙钛矿太阳能电池的工作原理 2.1钙钛矿晶体结构

钙钛矿晶体是结构为钙钛矿晶型的一类晶体的总称, 属于一

种半导体, 它的分子结构为 ABX 3,

其中 A 为有机阳离子, 例如 CH 3NH 3+; B 为 +2价的 Sn 2+, Cd 2+或 Pb 2+等阳离子; X 为 Cl -

, Br -或 I -等卤素阴离子 。 例如铅钙钛矿, 其分子式为 CH 3NH 3PbI 3, 其晶 体由 1个 CH 3NH 3+离子 、 1个 Pb 2+离子和 3个 I -离子组成, 金属 阳离子和卤素阴离子组合形成了正八面体结构, 而有机正离子 处于正中间起到了平衡电荷的作用, 其结构如图 1所示 。

CH 3NH 3PbI 3是一种半导体染料, 其禁带宽度为 1.55eV, 说明 其原子核对核外电

子的束缚能量不是很强, 因此, 在其受到外界 光照射时电子很容易摆脱原子核从而形成电流;它产生的激子 只有约 0.03eV 的束缚能, 意味着这些激子在室温下很容易分解 为自由载流子; 科学家们发现, 在液体电解质中 10μm 厚的多 孔 TiO 2及其附着的有机染料活性层构成的染料敏化太阳能电池

能量转换效率已超 12%。

CH 3NH 3PbI 3-x Clx 晶体中激子扩散距离 达 1μm, CH 3NH 3PbI 3中激子的扩散距离约为 100nm, 这导致 钙钛矿材料中载流子具有很长的使用寿命以及良好的传输特 性,基于钙钛矿半导体这种双载流子传输特性, 在形成异质结 时既可以是 n 型也可以是 p 型 [6],在太阳能电池中可以同时作为

钙钛矿太阳能电池的发展与工作原理 Perovskite solar cells:development and working principle

王 琛

(哈尔滨工程大学 理学院, 黑龙江 哈尔滨 150001

摘 要:简要回顾了钙钛矿太阳能电池的发展历史, 说明了钙钛矿太阳能电池属于染料敏化太阳能电池的一种 。 介绍了钙钛矿晶体 的结构 。 分层次解释了钙钛矿太阳能电池的结构及工作原理 。 钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经超过了晶体硅太阳能电池 。 在未来 的发展中, 钙钛矿太阳能电池很有可能成为下一代薄膜太阳能电池 。 指出了钙钛矿太阳能电池由于空穴传输层的材料造价昂贵等缺点导 致其无法大规模生产 , 并简单介绍

了解决缺点的最新研究工作 。

关键词:钙钛矿太阳能电池; 染料敏化太阳能电池; 空穴传输层

Abstract:Development history of perovskite solar cells is briefly

reviewed.Perovskite solarcells are solid -statedye -sensitized solar cells.Describes the structure ofperovskite.Describing the structure and working principle of perovskite solar cells.The energy conversion ef -ficiency of perovskite solar cells has exceeded the amorphous silicon solar cells.latter.A conclusion is drawn that perovskite-based solar cells are expected becoming the next generation thin-film solar cells.The bottleneck of marketization for perovskite-based solar cells is the fabrication of expensive hole transportation layer.The researches aim to resolve it are summarized.

Key words :Perovskite solar cells;Solid-statedye-sensitized solar cells;Hole transport

layer

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图 2钙钛矿太阳能电池结构

光吸光层和传输层 [7]。 2.2钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池是由染 料敏化太阳能电池的发展衍生 出来的新型太阳能电池,从本 质上它属于染料敏化太阳能电

池的一种 。

其结构与染料敏化太 阳能电池的结构相似 。 其结构 大致可分为 3层:电子传输层, 空

穴传输层, 吸光层 。 其结构如 图 2所示 。

其中, 电子传输层作为电池 的负极,其作用是将吸光层分 离出来的电子传输出去 。 它的 主 要 材 料 为 在 氟 掺 杂 氧 化 锡 (FTO 导电玻璃, 上面涂上一层 致密的 TiO 2薄膜 。 空穴传输层 是将被分离出来电子的空穴传 输到金属阳极上 。 中间的那一 层是吸光层, 当有光线照到吸光层时, 它会吸收光能量使核外自 由电子摆脱原子核的束缚定向移动到电子传输层,从而形成电 流 。 钙钛矿太阳能电池的吸光层的构造为多孔的 TiO 2上面附着 着钙钛矿晶体 。 这样的结构可以是钙钛矿的受光面积增大, 使吸 光层可以充分地吸收太阳光,进而提高了钙钛矿太阳能电池的 工作效率 。

3钙钛矿太阳能电池的缺点

钙钛矿太阳能电池作为一种新型的太阳能电池,其光电转 换效率十分地可观,但现如今仍然是晶体硅太阳能电池占据着 光伏市场的主要份额 。 钙钛矿太阳能电池并没有替代晶体硅太 阳能电池, 说明了其上有许多缺点有待攻克 。

首先, 钙钛矿太阳能电池虽然光电转换效率很高, 但这只是 实验中测得的数据,其应用于实际中仍受到许多条件因素的制 约 。 目前, 实验室里制造的钙钛矿太阳能电池都很小, 仅几毫米 大 [8], 而市场需要的太阳能电池都比较大 。 例如晶体硅太阳能电 池的尺寸一般都可以达到几十厘米甚至更大 。 科学家们难以制 造出较大面积的连续的钙钛矿膜, 这仍然需要今后的研究突破 。

虽然钙钛矿材料的价格相对便宜,但制造太阳能电池的有 机空穴传输层的材料却十分

昂贵,其价格为黄金的 10倍以上 。 这使得钙钛矿太阳能电池的制造成本大幅度提高 。 最近, Chris-tian 等发现了用碘化铜制成的无机空穴传输层来代替原来有机 空穴传输层的材料 [9], 但实验结果表明, 基于碘化铜的钙钛矿太 阳能电池的光电转换效率有所下降 。

太阳能电池的优劣程度, 不仅仅是取决于其光电转换效率, 还有稳定程度 。 但目前越来越多的研究人员注意到, 在对钙钛矿 太阳能电池进行伏安特性曲线测试时,图线产生了较为明显的 回滞现象,这种现象会导致研究人员在观测时对太阳能电池效 率的高估或低估 。 研究人员发现, 外界光照条件的变化甚至扫描 速度的变化都会对实验结果产生较大的影响 [10]。 虽然很多学者 发现了这一现象, 但引发这一现象的原因目前尚在研究中, 有待 进一步地探索 。

4结论

钙钛矿晶体因其成本低 、 可溶液制备 、 易成膜等优点展现了 优异的性能以及强大的竞争力 。 钙钛矿太阳能电池与传统的非 晶硅电池相比, 短路电流密度 、 开路电压以及能量转换效率均已 超出后者 。 此外, 钙钛矿太阳能电池的制备工艺成本低廉 、 制备 较为简单, 拥有非常广阔的发展前景 。 其受到科研界的广泛重视 并有望实现产业化而成为下一代薄膜太阳能电池 。

光伏技术的商业化必须考虑成本 、 效率和稳定性, 钙钛矿太

阳能电池的稳定性问题亟待解决 。

此外, 其空穴传输层材料价格 过于昂贵, 也是其无法产业化的重要原因之一 。 不过,

钙钛矿太

阳能电池在世界各国科研人员的努力下一定会不断完善并逐步

商业化, 成为解决当前能源问题的重要途径之一 。

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