鈣鈦礦太陽能電池學(xué)生：賈福金導(dǎo)師：郭艷群CONTENTS目錄1234研究背景與太陽電池的分類鈣鈦礦太陽電池的結(jié)構(gòu)鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽電池的工作機理研究進展以及面臨的問題5一、研究背景與太陽電池的分類研究背景：化石能源不斷消耗可再生能源太陽能取之不盡太陽電池的分類：按照太陽能電池發(fā)展歷程與制作材料可將其分為以下三代第一代太陽能電池,即硅太陽能電池,包括單晶硅、多晶硅及非晶硅太陽能電池。第二代太陽能電池,即化合物薄膜太陽能電池,主要包括Ⅲ-V族化合物CdTe、CdS、CuInSe、GaAs、銅銦鎵硒(CIGS)等。第三代太陽能電池是新型薄膜太陽能電池,主要包括有機聚合物太陽能電池、量子點太陽能電池、染料敏化太陽能電池(Dye-sensitizedsolarcells,DSCs)及鈣鈦礦太陽能電池(Perovskitesolarcells,PSCs)等。二、鈣鈦礦太陽電池的結(jié)構(gòu)核心電子收集層（可去除）Au，Ag（TCO玻璃基底）

鈣鈦礦太陽電池主要由以下四個部分組成。一是電子收集層,其主要作用是負責傳輸電子與收集電子的作用,主要有無機半導(dǎo)體Ti02,ZnO等；二是有機-無機鈣鈦礦光吸收層,例如CH3NH3Pbl3,CH3NH3Pbl2Cl,CH3NH3PbBr3等；三是空穴傳輸層(Holetransportmaterial,HTM),如Spiro-OMeTAD；四是背電極,主要是Au,Ag等。致密層(compactlayer)又被稱為阻擋層(blockinglayer),致密層在PSCs中主要有兩個作用,一是減少導(dǎo)電基底界面電子復(fù)合,二是提供合適的導(dǎo)帶位置使光生電子可以有效注入。有機-無機鈣鈦礦是一種具有鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體染料,目前其能帶寬度分布在1.48～2.23ev，因此其在可見光范圍內(nèi)有非常好的吸收?？昭▊鬏攧┯袡C溶劑電解質(zhì)三苯胺類衍生物Spiro-OMeTAD作為固態(tài)空穴傳輸劑三、鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)

鈣鈦礦層是該太陽能電池的核心，它的性質(zhì)直接決定了器件性能的優(yōu)劣。鈣鈦礦是一種具有晶體結(jié)構(gòu)的材料，A是即甲胺基，M是Pb原子，X是I、Cl、Br等鹵素原子。目前，用于太陽電池的最常見鈣鈦礦料具有鐵電性，反鐵磁性，超導(dǎo)電性等多種物理性質(zhì)。此外更重要的是，太陽能電池中的鈣鈦礦層吸光性較強，載流子受光激發(fā)易分離難復(fù)合，這也是以它為吸光層的電池能獲得高效率的原因。這種材料的結(jié)構(gòu)中Pb位于八面體的核心，頂角位置是I、Cl、Br原子，立方晶格的頂角位置是，結(jié)構(gòu)如圖所示（X為鹵素原子，A為甲胺基團，M為鉛原子）。四、鈣鈦礦電池的工作機理

空穴HTM→空穴傳輸層①有機-無機鈣鈦礦光敏劑受到太陽光作用后,有機-無機鈣鈦礦中就會產(chǎn)生電子()與空穴()。②鈣鈦礦層中的產(chǎn)生電子擴散到n-型半導(dǎo)體界面時被迅速注入其導(dǎo)帶中。③然后導(dǎo)帶中的電子被導(dǎo)電基底收集進而傳遞至外電路。④空穴被HTM傳輸?shù)奖畴姌O（Au或Ag）。⑤將背電極與導(dǎo)電基底用導(dǎo)線連接形成回路。光敏劑，又稱增感劑，敏化劑，光交聯(lián)劑。在光化學(xué)反應(yīng)中，把光能轉(zhuǎn)移到一些對可見光不敏感的反應(yīng)物上以提高或擴大其感光性能的物質(zhì)。導(dǎo)帶是由自由電子形成的能量空間。即固體結(jié)構(gòu)內(nèi)自由運動的電子所具有的能量范圍。對于半導(dǎo)體，所有價電子所處的能帶是所謂價帶，比價帶能量更高的能帶是導(dǎo)帶。五、研究進展以及面臨的問題

對比幾種薄膜太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率近20年來的提升情況。相比于有機(OPV)、染料敏化(DSSC)和非晶硅(a-Si)太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池效率的提升速度驚人。一開始，其電池的光電轉(zhuǎn)換效率只有3.8%，2014年初，韓國化學(xué)技術(shù)研究所（KRICT）將該效率提升到17.9%。2014年5月，加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)的Yang等已經(jīng)將此效率提升到19.3%。這種發(fā)展速度是前所未有的，值得研究者高度重視。圖幾種薄膜太陽能電池PCE近20年來的提升情況

近幾年內(nèi),有機無機鹵素鈣鈦礦太陽電池得到了快速的發(fā)展。但是,由于鈣鈦礦材料對水分敏感,易于降解,從而使得鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性較差。同時,由于材料中含有毒性元素Pb,在一定程度上限制了韓鈦礦電池的發(fā)展。(1)設(shè)計幵發(fā)無Pb鈣鈦礦或者類鈣鈦礦光敏劑,從而降低環(huán)境污染;(2)電池的穩(wěn)定性需要進一步提高;根據(jù)目前的研宄成果,有機-無機鈣鈦礦的熱穩(wěn)定急需解決,此外空穴傳輸材料及其添加劑的揮發(fā)性和穩(wěn)定性也需要解決;使用碳背電極取代Au和Ag背電極也是有望解決其穩(wěn)定性差和成本較高的非常有效的途徑之一;(3)介觀、超介觀、平板鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)和工作機理仍然需要深入研究;(4)有機-無機鈣鈦礦非常適合低溫溶液法制備,因此幵發(fā)低溫全溶液法制備有機-無機鈣鈦礦電池具有很好的前景;(5)可以通過優(yōu)化各功能層(電子收集層、多孔層、鈣鈦礦層、碳層)的厚度,提高界面電子-空穴的提取效率,修飾器件的各個功能層使其能級更加匹配等方面,進一步提高基于碳背電極的PSCs的能量轉(zhuǎn)化效率。參考文獻[1]AKIHIROK,KENJIROTESHIMA,YASUOS,etal.Organometalhalideperovskitesasvisible-lightsensitizersforphotovoltaiccells[J].JAmChe