鈣鈦礦型多晶薄膜太陽電池(1)

■ 廖顯伯 郝會穎 韓培德 向賢碧

(1. 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所；2. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)數(shù)理學(xué)院)

0 引言

多年來，硅晶片太陽電池一直是光伏太陽電池領(lǐng)域的主流。為進(jìn)一步降低太陽電池的發(fā)電成本，從上世紀(jì)70年代起，陸續(xù)發(fā)展了幾種薄膜太陽電池，包括：硅基薄膜電池、碲化鎘薄膜電池、銅銦鎵硒電池、染料敏化電池和有機(jī)薄膜電池等。雖然經(jīng)過多年的努力，薄膜電池在研發(fā)方面取得了重要進(jìn)展，但都尚未達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)?；蚴怯捎陔姵匦什粔蚋?，研發(fā)進(jìn)展緩慢；或是由于電池組分中含有稀有元素，成本降不下來，將來也恐難滿足大規(guī)模太陽電池發(fā)電的需求。

近年來，出現(xiàn)了一種新型有機(jī)-無機(jī)混合薄膜太陽電池——金屬鹵化物鈣鈦礦型多晶薄膜太陽電池，不僅制備工藝簡單、原材料普通，而且電池的光電轉(zhuǎn)換效率只經(jīng)過幾年的研究就突破了20%。2013年美國《科學(xué)》雜志把它點(diǎn)評為當(dāng)年科學(xué)領(lǐng)域的十大重要突破之一。有人預(yù)計(jì)，鈣鈦礦型薄膜電池的效率最終將超過25%，它與傳統(tǒng)薄膜電池串疊而成的疊層電池的效率將有望達(dá)到32%。到那時(shí)，鈣鈦礦型太陽電池的發(fā)電成本將有望低于傳統(tǒng)化石能源的發(fā)電成本[1]。

1 鈣鈦礦型多晶薄膜太陽電池研發(fā)動(dòng)向

自然狀態(tài)下的鈣鈦礦石已發(fā)現(xiàn)近200年了。鈣鈦礦(CaTiO3)是金屬復(fù)合氧化物，化學(xué)通式為ABX3。鈣鈦礦具有立方晶系結(jié)構(gòu)，晶胞由1個(gè)面心立方和1個(gè)體心原子套構(gòu)而成，如圖1所示。金屬原子A(Ca)占據(jù)立方體的8個(gè)頂角，金屬原子B(Ti)占據(jù)體心位置，非金屬原子X(O)占據(jù)6個(gè)面心位置。鈣鈦礦的這種結(jié)構(gòu)與我們熟知的絕大多數(shù)半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)不同，后者多為金剛石結(jié)構(gòu)或閃鋅礦結(jié)構(gòu)，是由2個(gè)面心立方晶格套構(gòu)而成。

圖1 鈣鈦礦ABX3的晶格結(jié)構(gòu)

目前已知有數(shù)百種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)物質(zhì)，其帶隙寬度覆蓋了從半金屬到絕緣體的寬廣范圍，在凝聚態(tài)物理科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域研究及應(yīng)用甚廣，例如在高溫超導(dǎo)、紫外光探測器、工業(yè)催化、環(huán)境保護(hù)、燃料電池等方面鈣鈦礦材料都已成為重要的研究熱點(diǎn)。

鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料在太陽電池領(lǐng)域的應(yīng)用始于2009年。當(dāng)時(shí)，日本橫濱桐蔭大學(xué)Miyasaka T小組在研究染料敏化太陽電池(DSSC)時(shí)，將一種有機(jī)-無機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦材料——甲氨碘化鉛CH3NH3PbI3作為染料，用以敏化納米多孔TiO2層吸收光子，獲得了3.8%的光電轉(zhuǎn)換效率[2]。該效率雖不算高，但給效率處于徘徊(10%左右)局面的染料敏化電池帶來了新的希望。據(jù)稱，這里CH3NH3PbI3具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，(CH3NH3)是A原子，Pb是B原子，I是X原子。

2011年，CH3NH3PbI3鈣鈦礦型電池采用納米結(jié)構(gòu)和液態(tài)電解質(zhì)I3-/I-氧化還原對作為空穴傳輸層，將電池效率提高到6.5%[3]。

2012年，全固態(tài)CH3NH3PbI3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)電池采用有機(jī)分子螺二芴(spiro-MeOTAD)為空穴傳輸層，其效率提高到9.7%[4]。

[1] Service R F. Perovskite solar cells keep on surging[J].Science，2014，344 (6183): 458 － 459.

[2] Kojima A，Teshima K，Shirai Y，et al. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells[J]. Journal of the American Chemical Society，2009，131(17): 6050 － 6051.

[3] Im J H，Lee C R，Lee J W，et al. 6.5% effi cient perovskite quantum-dot-sensitized solar cell[J]. Nanoscale，2011，(3): 4088－4093.

[4] Kim H S，Lee C R，Im J H，et al. Lead iodide perovskite sensitized all-solid-state submicron thin fi lm mesoscopic solar cell with effi ciency exceeding 9%[R]. Science report ，2012，2 : 591. (待續(xù) )