鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展

謝中亮

摘 要：人們對(duì)太陽(yáng)能這一新型能源認(rèn)識(shí)的不斷加深，促使以太陽(yáng)能作為主要能源的各類(lèi)產(chǎn)品得以廣泛應(yīng)用和發(fā)展，其中，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池則是人們對(duì)太陽(yáng)能這一新型能源不斷研究的產(chǎn)物。為了進(jìn)一步提高人們對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能的認(rèn)識(shí)，文章通過(guò)對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能中的鈣鈦礦材料進(jìn)行闡述，進(jìn)而對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中作為重要的部分，即光吸收層的制備方法和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)方面的研究作出了系統(tǒng)的說(shuō)明和分析。

關(guān)鍵詞：鈣鈦礦；光吸收層；太陽(yáng)能電池

前言

長(zhǎng)期以來(lái)，低成本且高轉(zhuǎn)化率的光伏器件一直是光伏器件領(lǐng)域研究的重要方向，自2009年鈣鈦礦太陽(yáng)能電池產(chǎn)生后，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池得到了國(guó)際學(xué)術(shù)界的高度認(rèn)可和重視。作為一種新型的太陽(yáng)能電池，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池?zé)o論在其吸光材料還是內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面均具有良好的優(yōu)勢(shì)。基于此，加強(qiáng)對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池光吸收層以及器件結(jié)構(gòu)的研究，無(wú)疑成為了理論界和學(xué)術(shù)界需要共同開(kāi)展的關(guān)鍵工作。

1 鈣鈦礦材料概述

對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光吸收層進(jìn)行分析可知，其實(shí)質(zhì)上是一種有機(jī)—無(wú)機(jī)的雜化材料，其化學(xué)式為CH3NH3PbX3，此材料的晶胞結(jié)構(gòu)為典型的鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)，其中，PbX6形成八面體，且相互接觸溝通構(gòu)成具有三維結(jié)構(gòu)的框架，而CH3NH3+則被嵌入其內(nèi)。由于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光吸收層具有電致發(fā)光與光致發(fā)光的特性，不僅具有直接帶隙和較高的光吸收系數(shù)，而且還具有良好的截流子輸運(yùn)性能和較高的缺陷容忍度。還需說(shuō)明的是，鈣鈦礦光吸收層的禁帶寬度同AM1.5光照下的最佳帶隙值，即1.4eV極為接近，但卻比Br和Cl的含I（碘）的鈣鈦礦材料在水蒸氣條件中更易分解，故在制備過(guò)程中可借助Br和Cl元素取代部分CH3NH3PbX3能夠提高其抗分解的能力[1]。

2 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池光吸收層制備方法

就現(xiàn)階段而言，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的高質(zhì)量光吸收層的制備方法主要以溶液法和共蒸發(fā)法為主。

2.1 基于單步法與兩步法的溶液法

溶液法主要包括了單步法和兩步法兩種。其中，單步法通常以一定的化學(xué)計(jì)量比將CH3NH3X以及PbX2共同溶解在溶劑（N-二甲基甲酰胺）當(dāng)中從而構(gòu)成前驅(qū)體溶液，而后，將此前驅(qū)體溶液直接旋涂在TiO2上，并將其置于100℃的N2手套箱內(nèi)進(jìn)行干燥。在整個(gè)干燥過(guò)程中，前驅(qū)體溶液中的發(fā)生CH3NH3X與PbX2化學(xué)反應(yīng)，從而生成CH3NH3XPbX3，且干燥后溶液的顏色變深，繼續(xù)干燥獲得鈣鈦礦吸收層。單步法雖然較為簡(jiǎn)單且操作方便，但基于此種方法所制備的鈣鈦礦薄膜形貌變化較大，對(duì)其性能難以進(jìn)行有效控制，而基于兩步法的溶液法則能夠有效解決這一問(wèn)題。將具有較高濃度的PbI2的N-二甲基甲酰胺溶液在70℃的環(huán)境中旋涂在TiO2上并進(jìn)行干燥，一段時(shí)間后在溶有CH3NH3I的2-丙醇溶液中將TiO2與PbI2的復(fù)合層予以浸漬，此時(shí)，CH3NH3I則會(huì)與PbI2發(fā)生晶化反應(yīng)，生成CH3NH3XPbI3，在對(duì)其繼續(xù)干燥后便可得到鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的鈣鈦礦吸收層[2]。

2.2 共蒸發(fā)法

自2013年共蒸發(fā)法應(yīng)用到CH3NH3XPbI3-xClx吸收層制備以來(lái)，基于共蒸發(fā)法的真空蒸鍍法已被廣泛應(yīng)用于薄膜太陽(yáng)能電池與晶硅太陽(yáng)能電池的制備當(dāng)中。通過(guò)在10-3Pa的本底真空中將PbCl2與CH3NH3XPbI共鍍于表面沉積了FTO以及TiO2的導(dǎo)電玻璃上，從而促使PbCl2與CH3NH3XPbI產(chǎn)生反應(yīng)進(jìn)而生成CH3NH3XPbI3-xClx。而后，將此導(dǎo)電玻璃置于100℃的N2手套箱當(dāng)中進(jìn)行退火，使材料得以完全晶化[3]。對(duì)共蒸發(fā)法進(jìn)行分析可知，以此種方法所制備的鈣鈦礦材料雜質(zhì)缺陷較少且材料結(jié)構(gòu)緊密，表面較為均勻，但需要說(shuō)明的是，此種方法對(duì)鈣鈦礦材料的制備是以高真空為前提條件的，這不僅對(duì)各類(lèi)設(shè)備提出了較高的要求，而且制備過(guò)程中還需消耗較大的能量。因此，只有在對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池各方面性能要求較高時(shí)，此方法在經(jīng)濟(jì)和效果方面較為適用。

3 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)

3.1 介觀結(jié)構(gòu)

CH3NH3XPbX3最初是作為一種新型染料而被應(yīng)用在染料敏化太陽(yáng)能電池當(dāng)中，器件結(jié)構(gòu)與典型的染料敏化太陽(yáng)能電池類(lèi)似，介觀尺寸的金屬氧化物框架中附有CH3NH3XPbX3燃料，而作為經(jīng)典的框架材料當(dāng)屬TiO2，在500℃下進(jìn)行燒結(jié)從而提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，以支持太陽(yáng)能電池的使用。對(duì)典型的CH3NH3XPbX3結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知，其納米晶附著在具有介觀尺寸的n型TiO2中，在TiO2上是p型的HTM，當(dāng)入射光從下方玻璃射入時(shí)，超過(guò)CH3NH3XPbX3禁帶寬度能量的光子則被材料吸收，并生成激子，并在材料的內(nèi)部與界面處分離生成價(jià)帶空穴以及相應(yīng)的導(dǎo)帶電子，進(jìn)而迅速注入電子傳輸材料與價(jià)帶空穴當(dāng)中，并被FTO與金屬電極予以收集[4]。當(dāng)接上負(fù)載時(shí)，材料便開(kāi)始對(duì)外做功。此種結(jié)構(gòu)在避免了電子-價(jià)帶空穴復(fù)合的同時(shí)，也提供了收集電子所需的擴(kuò)散長(zhǎng)度，有效提高了電池的吸光性能。

3.2 平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)

近年來(lái)，隨著人們對(duì)太陽(yáng)能這一新興能源認(rèn)識(shí)和研究的不斷加深，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中，鈣鈦礦材料的電學(xué)性能，特別是載流子運(yùn)輸性能得以大幅提升，由此，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。鈣鈦礦材料中的激子大都以Mott型為主，能夠在結(jié)構(gòu)界面和內(nèi)部同時(shí)分離，因此，可將鈣鈦礦材料分別置于p型材料和n型材料當(dāng)中，或直接與p型材料進(jìn)行接觸，從而提高對(duì)截流子收集的效率。對(duì)于高質(zhì)量的TiO2而言，其電子傳輸層需經(jīng)450°以上的高溫處理方能夠應(yīng)用到電池的制備當(dāng)中，對(duì)點(diǎn)吃的柔性化具有較大影響，且傳統(tǒng)的TAD制備工藝較為復(fù)雜、成本較高。因此，為了提高鈣鈦礦電池的柔性并降低研制成本，有機(jī)傳輸與無(wú)機(jī)傳輸材料被引入到鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)中。例如，基于聚3，4-亞乙二氧基噻吩（PEDOTPPS）和[6，6]-苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）的價(jià)帶空穴和電子傳輸材料而制成的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化率高達(dá)12%，而基于玻璃和聚酰亞胺（PET）等良好柔性材料的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化率也分別達(dá)到了11.5%和9.3%。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)對(duì)鈣鈦礦材料的化學(xué)式與相關(guān)性能進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)溶液法和共蒸發(fā)法兩種鈣鈦礦太陽(yáng)能電池光吸收層的制備方法展開(kāi)了論述和研究，在此基礎(chǔ)上，分別對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的介觀結(jié)構(gòu)與平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)予以探究。研究結(jié)果表明，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池不僅具有良好的吸光性能，而且還能夠以不同的結(jié)構(gòu)提升其光電轉(zhuǎn)化率。可見(jiàn)，未來(lái)加強(qiáng)對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究和應(yīng)用力度，無(wú)疑對(duì)于促進(jìn)光伏器件領(lǐng)域的發(fā)展和提高太陽(yáng)能這一新型能源的利用范圍具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

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