新型太陽能電池的研究簡述

張佳維

(青島西海岸新區第一高級中學，山東 青島 266555)

能源是人類社會賴以生存和發展的重要物質保障，隨著社會經濟的發展進步，人們逐漸重視對清潔能源的開發和有效利用，從而應對當前能源緊張的現狀，滿足可持續發展戰略對于能源的需求。太陽能電池又稱光伏電池，直接利用太陽能的一種簡便的方式，其利用一些對光有吸收作用的材料收集光能，再通過靜電處理過程，以對光較為敏感的材料為介質，使得光能與電子材料有效接觸，實現靜電條件下的電池作用，將太陽能轉化為電能。

1 染料敏化太陽能電池(DSSC)

DSSC源于人類對植物光合作用的模仿，其利用一些光敏材料(起到植物中葉綠素的功能)優異的吸光性能將太陽能(光能)轉化為電能。由于原料來源廣泛，成本低，生產工藝簡單，適合大規模的生產，受到越來越多的關注。

1.1 電池構造

典型的DSSC主要由5個主要部分組成，分別是導電玻璃(鍍有透明導電膜)、多孔半導體薄膜(納米TiO2)、染料敏化劑、電解質和對電極[1-2]。導電玻璃和多孔半導體薄膜為光陽極，是吸附染料分子的載體，其性能和結構決定了對染料的吸附量。染料敏化劑在電池中扮演著“葉綠素”的作用，是染料敏化太陽能電池中的關鍵部分，主要吸收可見光以及近紅外光區域的太陽光，可分為金屬復合敏化劑、金屬有機敏化劑和天然敏化劑3種。電解液的主要功能是再生染料，承擔著輸運電荷的作用，目前，運用最為廣泛的則是I-/I3-碘電解液。對電極的作用是收集產生的電子，以及將電解質(液體、膠體、固體)中的電子受體還原再生，鉑電極是目前效率最高的對電極，碳材料因其價格低廉且資源豐富近年來成為研究熱點。

1.2 工作原理

DSSC的工作原理主要包括光的吸收和電子收集兩個過程，分別由敏化劑(單層染料分子，吸附在納米晶的薄膜表面上)和電池基底(TiO2納米晶燒結在一起形成的介孔氧化物半導體層)來完成。DSSC工作時，染料分子電子吸收太陽光(可見光區域和近紅外光區域)后，電子從基態躍遷到激發態，激發態極不穩定，電子被快速的注入較低能級的導帶中。電子進入導帶后，以擴散或者漂移運動產生的形式形成宏觀定向運動，經外電路做功產生工作電流流到對電極中。與此同時，在對電極上發生氧化還原再生過程，即光生電子將電解質溶液中的I3-還原成I-，隨后被還原的I-與氧化態染料發生氧化還原反應，染料分子被還原成基態，I-被氧化成I3-，整個電路完成光電轉換的循環[3-5]。目前，DSSC的光電轉換效率已超過12%，并且其具有受環境溫度及光入射角度影響小，可弱電發光等其他種類太陽能電池無法比擬的優點。DSSC已發展到向產業化過渡的階段。

2 鈣鈦礦太陽能電池

鈣鈦礦材料最初是指一種稀有礦石CaTiO3，其具有ABX3結構，其中A為有機陽離子，B為金屬離子，X為鹵素基團。自1926年其晶體結構被基本明確以來，應用于多個領域。2009年，鈣鈦礦材料首次用作太陽能電池的吸光材料，獲得了3.8%的光電轉換效率[6]。隨后鈣鈦礦太陽能電池異軍突起迅速成為國內外研究熱點，短短幾年內，能量轉換效率由3.8%飆升到20.1%，被《Science》評選為2013年十大科學突破之一。

2.1 電池構造及工作原理

廣義上說的鈣鈦礦型太陽能電池屬于染料敏化太陽能電池(DSSC)的一種，本質上是一種固態染料敏化太陽能，是一種以鈣鈦礦材料(通常含Pb)作為吸光材料，通過光吸收、電子-空穴分離和電子運輸實現光到電轉化的第三代太陽能電池。

典型的鈣鈦礦太陽能電池由導電玻璃(光陽極)、n型半導體材料致密層(電子傳輸層)、鈣鈦礦材料吸收層(光吸收層)、p型半導體材料層(空穴傳輸層)、金屬對電極(光陰極)五部分組成，其光伏性能和長期穩定性取決于致密層、鈣鈦礦吸收層、p型半導體材料層的組成、微結構和性質。鈣鈦礦吸收層性能好壞決定了鈣鈦礦太陽電池的整體性能，起到結構導向和傳輸電子到外電路的作用，其捕獲太陽光產生的電子-空穴對，并將其高效傳輸至n型半導體材料致密層(電子傳輸層)和p型半導體材料層(空穴傳輸層)；n型半導體材料致密層收集鈣鈦礦吸收層注入的電子，從而使鈣鈦礦吸收層電子-空穴對的電荷分離；p型半導體材料層則收集、傳輸鈣鈦礦吸收層注入的空穴，并與n型半導體材料致密層的共同作用下，使得電子-空穴對的電荷分離[7-8]。

鈣鈦礦太陽電池的工作原理為，在光的作用下，鈣鈦礦化合物材料AMX3(鹵鉛銨類)吸收光子產生電子-空穴對，電子-空穴對在鈣鈦礦材料與電子傳輸層和空穴傳輸層交界處選擇性分離，電子注入電子傳輸層，空穴傳輸至空穴傳輸層，電子與空穴的移動產生電流[9]。

2.2 性能和存在問題

鈣鈦礦太陽能電池被譽為“光伏領域的新希望”，具有卓越的光伏特性，良好的吸光性和電荷傳輸速率使其具有巨大的開發潛力，鈣鈦礦太陽能電池具有非常穩定的光伏性能，具有較高的量子效率、短路電流密度和開路電壓。由于構造簡潔、制造成本低，光電轉換性能優異、效率高，鈣鈦礦太陽電池有望成為全固態的新型太陽電池，是目前現有商業太陽電池最有潛力的競爭者。

雖然鈣鈦礦太陽能電池的研究取得了突出的進步，但是仍存在一些問題[10-11]：(1)很難制備大面積的鈣鈦礦太陽能電池，阻礙其市場應用；(2)對水蒸汽和氧氣十分敏感，會與其發生化學反應，晶體結構被破壞，導致電池性能的衰減，造成其穩定性較差；(3)制備鈣鈦礦太陽能電池所用的鈣鈦礦材料通常為CH3NH3PbI3，重金屬Pb易對環境造成污染；(4)現有的測試技術不能很好的解決能量轉換效率測試時的回滯現象；(5)空穴傳輸層材料造價昂貴。

隨著化石能源的日益枯竭以及其相伴而生的環境問題的日益突出，人類迫切需要開發清潔且可再生的能源。太陽能因不受地域限制，成為眾多能源技術中最有應用前景的方式之一，近十年來，研究人員對太陽能電池的研究不斷取得突破，這將有助于解決人類對能源的需求問題。