鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率研究進(jìn)展

*馮宇昂

(河南省鄭州市第一中學(xué) 河南 450000)

鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率研究進(jìn)展

*馮宇昂

(河南省鄭州市第一中學(xué) 河南 450000)

近年來能源短缺、環(huán)境污染成為了現(xiàn)代社會(huì)的突出問題,而大力發(fā)展和推廣清潔能源技術(shù)是解決這兩大難題的有效手段,懷著緩解能源問題的熱忱,我們?cè)诖朔矫孢M(jìn)行了一些調(diào)查.本文簡要回顧了鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展歷史,并主要介紹了降低載流子復(fù)合幾率、改善制備工藝、應(yīng)用新材料等提高鈣鈦礦太陽能電池效率的方法,最后總結(jié)和展望了鈣鈦礦太陽能電池仍待改進(jìn)的一些問題和發(fā)展方向.

鈣鈦礦;太陽能電池;光電轉(zhuǎn)換效率

鈣鈦礦,也稱有機(jī)鉛鹵鈣鈦礦,一般用ABX3表示,其中A代表有機(jī)原子基團(tuán),B代表Pb元素,X則指鹵素原子.鈣鈦礦的晶胞有兩種表示形式,一是將A看作晶胞中心,則B處于立方體的頂點(diǎn),X在棱心位置(如圖一),二是將B看作晶胞中心,則A處于立方體的頂點(diǎn),X在面心位置(如圖二).總之,一個(gè)晶胞中總含有一個(gè)A、一個(gè)B和三個(gè)X.

圖1

圖2

本文從鈣鈦礦電池光電轉(zhuǎn)換效率最新的研究成果著眼,介紹在降低載流子復(fù)合幾率、改進(jìn)傳統(tǒng)溶液法制備工藝、新的電池材料三個(gè)方面的最新進(jìn)展.

1.降低載流子復(fù)合幾率

鈣鈦礦太陽能電池的原理是光敏材料吸收光能,產(chǎn)生載流子(電子和空穴),載流子定向移動(dòng)產(chǎn)生電流,從而對(duì)外做功.因此,要提高電池效率,就要增加同等光照條件下載流子的數(shù)量,降低其復(fù)合幾率是重要手段之一.

shen等發(fā)現(xiàn),提高鈣鈦礦太陽能電池效率的關(guān)鍵在于對(duì)載流子的收集而不是分離.他們的研究表明,使用TiO2而不是Y2O3作為ETM,使用spiro作為HTM,限制TiO2尺度為30nm而不是18nm,實(shí)施界面調(diào)控等措施均有助于減少載流子在界面處的復(fù)合,從而提高鈣鈦礦太陽能電池的效率.另外,實(shí)現(xiàn)材料表面鈍化可以有效降低載流子復(fù)合幾率.

2.改進(jìn)制備工藝

溶液旋涂法、高溫旋涂法和氣相沉積法,是傳統(tǒng)的制備鈣鈦礦薄膜材料的方法,其中以溶液旋涂法最為常見.而溶液旋涂法又分為兩種:一步法和兩步法.一步法是指直接將PbX2和CH3NH3X溶液混合并直接涂覆在TiO2上,干燥后生成CH3NH3PbX3,這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡單易行,成本低廉,但可控性較差,制備的薄膜厚度不均,缺陷較大.兩步法是將CH3NH3I溶液和PbI2溶液先后分別涂覆到TiO2上,并可以通過控制CH3NH3I溶液的濃度來控制CH3NH3PbI3晶體的生長,調(diào)整晶體尺寸,從而優(yōu)化轉(zhuǎn)換效率.

3.新材料

(1)改進(jìn)光敏材料

顧名思義,鈣鈦礦太陽能電池是將鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料作為光敏吸收層的.改進(jìn)光敏材料,可以從替換A、B、X這三個(gè)原子或原子團(tuán)來著手.

對(duì)鹵素原子做出調(diào)整:2009年,Kojima A等人在首次制作鈣鈦礦太陽能電池時(shí)運(yùn)用的光敏材料是CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbI3,當(dāng)時(shí)的電池效率僅有3.8%,后來Christian等人在CH3NH3PbI3中摻雜了一定量的Cl元素,并測得CH3NH3PbI(3-x)Clx的載流子遷移速率為11.6cm2/(V?s),明顯高于CH3NH3PbI3的8cm2/(V?s)(載流子遷移速率越高,電池的效率也就越高),故混合鹵素鈣鈦礦具有更高的載流子遷移速率.

對(duì)有機(jī)原子團(tuán)做出調(diào)整:隨著鉛鹵鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展,多個(gè)課題組都報(bào)道了使用甲脒基(FA)取代甲胺基(MA)得到了一種新的鈣鈦礦材料:FAPbI3.

對(duì)Pb原子做出調(diào)整:目前大部分實(shí)驗(yàn)表明Pb元素是使電池效率最高的元素,當(dāng)然,鉛會(huì)污染環(huán)境,用其他元素代替鉛并保證電池效率也是未來的發(fā)展方向.

(2)改進(jìn)電子傳輸材料

電子傳輸材料是指能接受帶負(fù)電荷的電子載流子并傳輸電子載流子的材料,具有較高電子親和能的半導(dǎo)體材料(即n型半導(dǎo)體)通常被用作電子傳輸材料.由于歷史原因,鈣鈦礦太陽能電池中使用和研究最多的電子傳輸層材料為在染料敏化太陽能電池中常見的TiO2.TiO2與鈣鈦礦材料能帶匹配,鈣鈦礦中產(chǎn)生的光生電子能夠注入TiO2的導(dǎo)帶,使光生電子空穴對(duì)分離,提高電荷分離及傳輸效率.但是TiO2需要400～500度高溫?zé)Y(jié),制備困難,因此人們想到將其與導(dǎo)電性能極佳的石墨烯材料復(fù)合,電子傳輸速率得到了提升.

(3)改進(jìn)空穴傳輸材料

目前應(yīng)用最為廣泛的空穴傳輸材料是Spiro-OMeTAD,它性能優(yōu)越但價(jià)格極昂貴(約為黃金十倍!)且其中含碳碳雙鍵,光照易使其分解,于是人們希望用容易制備、價(jià)格低廉而且穩(wěn)定性高的無機(jī)材料替代之,Ivan Mora-Sero等采用無機(jī)p型半導(dǎo)體CuSCN作為空穴傳輸層材料,獲得了6.4%的光電轉(zhuǎn)換效率.Shihe Yang等采用NiO納米顆粒作為空穴傳輸層,制備了反式平面異質(zhì)結(jié)電池,效率達(dá)9.11%.

4.總結(jié)與展望

雖然鈣鈦礦太陽能電池前景光明,但其仍然存在很多亟待解決的問題.首先,大多數(shù)科學(xué)家都只是致力于用不同的方式得到效率提高的結(jié)果,而沒有得出描述鈣鈦礦太陽能電池效率變化的理論模型.其次,鈣鈦礦太陽能電池在水蒸氣和氧氣環(huán)境下的高度不穩(wěn)定性,以及材料中所存在的鉛元素都對(duì)其推廣應(yīng)用帶來了困難.第三,如何實(shí)現(xiàn)大面積低能耗制備鈣鈦礦材料,滿足產(chǎn)業(yè)化需求仍是目前所面臨的重要問題.基于此,通過改善鈣鈦礦層與其他傳導(dǎo)層間的界面性能,降低載流子復(fù)合幾率,尋找更高效穩(wěn)定的電子/空穴傳輸材料,能提高電池轉(zhuǎn)換效率,也可以改善電池的穩(wěn)定性.

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[5]Shihe Yang,et al.High-Performance Hole-Extraction Layer of Sol-Gel-Processed NiO Nanocrystals for Inverted Planar Perovskite Solar Cells.Angew.Chem.Int.Ed.,2014,53(46):12571.

馮宇昂,男,河南省鄭州市第一中學(xué);研究方向:材料.

Research Progress of Photoelectric Conversion Efficiency of Perovskite Solar Cells

Feng Yuang
(Zhengzhou No. 1 Middle School of Henan Province, Henan, 450000)

In recent years, energy shortage and environmental pollution have become the prominent problems in modern society. While vigorous development and promotion of clean energy technology is an effective means to solve these two problems. With enthusiasm for the mitigation of energy problems, we have conducted some investigations in this regard. In this paper, the development history of perovskite solar cells is briefly reviewed, and the methods to improve the efficiency of the perovskite solar cells such as reducing the carrier recombination probability, improving the preparation process, and applying new materials are introduced. Finally, some problems are summarized and the development directions of the perovskite solar cells are prospected.

perovskite;solar cell;photoelectric conversion efficiency

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