1鈣鈦礦太陽(yáng)能電池關(guān)鍵詞太陽(yáng)能電池，鈣鈦礦，轉(zhuǎn)化效率，優(yōu)勢(shì)第一章引言2Cs+等陽(yáng)離子替換)，金屬陽(yáng)離子M2+(主要為Pb2+、Sn2+等)和副一價(jià)的鹵素八面體的體心，而X則通過(guò)與八面體頂點(diǎn)的共頂方式連接，并在三維空間方向上無(wú)限延伸，形成了網(wǎng)絡(luò)狀的框架結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱鹵鉛銨，其晶體結(jié)構(gòu)如圖1.1所示[4]。鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池一般是由陽(yáng)極(導(dǎo)電玻璃)、N型電子傳輸層(包括致密層和多孔層)、鈣鈦礦吸收層(晶體結(jié)構(gòu)如圖1所示)、P型空穴傳輸層以及Au陰極等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1.2所示[5]；當(dāng)太陽(yáng)光激發(fā)時(shí)，鈣鈦礦層從而導(dǎo)致鈣鈦礦吸收層電子-空穴對(duì)的電荷分離；鈣鈦礦吸收層的主要作用是吸至相應(yīng)的電荷分離[6]。3圖1.2(a)全固態(tài)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖,(b)剖面結(jié)構(gòu)SEM第二章鈣鈦礦材料的新型結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池器件42.2介觀超結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池O圖5圖2.2介觀超結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)超結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中的氧化物骨架材料雖然能夠產(chǎn)生漫反射作用來(lái)AlO和TiO2骨架的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的J-V曲線2.3二維平面鈣鈦礦太陽(yáng)能電池二維平面鈣鈦礦太陽(yáng)能電池主要包括導(dǎo)電玻璃基板、致密氧化物層、鈣鈦礦層、有機(jī)空穴傳輸層以及金屬電極。其典型結(jié)構(gòu)如圖2.4所示，Liu團(tuán)隊(duì)[17]6JV33322.4CHNH3332為了解決鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中有機(jī)空穴傳輸材料昂貴的問(wèn)題，Etgar等[18]72.6所示。微觀異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池雖然就結(jié)構(gòu)上而言減少了有機(jī)半導(dǎo)體傳輸材料這一2.5有機(jī)鹵化物太陽(yáng)能電池的未來(lái)發(fā)展展望究。(2)光生載流子的產(chǎn)生機(jī)理：目前存在兩種說(shuō)法，一種是激發(fā)電子-空穴機(jī)8(3)高效能量轉(zhuǎn)換機(jī)理：在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中,Gr?tzel等[20]利用序列沉積方法制備了分散質(zhì)TiO2納米骨架,制成了含有有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦吸收層透液法還是通過(guò)氣相沉積技術(shù)制備的鈣鈦礦材料都是多晶材料,其晶體結(jié)構(gòu)、形貌、粒徑尺寸都對(duì)界面載流子的注入和傳導(dǎo)具有重大影響;在電子/空穴的輸運(yùn)過(guò)程中,晶粒、晶界所起的作用依然不清楚;鈣鈦礦吸光層與電子傳輸層、空穴傳輸層之間的界面對(duì)整個(gè)能量轉(zhuǎn)換的作用?，F(xiàn)在的鈣鈦礦材料大都含有重金屬元素，國(guó)際上使用物鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在全日光輻照下連續(xù)使用500小時(shí)后依然保持80%以上的轉(zhuǎn)換效率,是迄今為止薄膜太陽(yáng)能電池中最穩(wěn)定的,但尚需大幅改進(jìn)才能實(shí)現(xiàn)Snaith[22]報(bào)道的高轉(zhuǎn)換效率的有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池都局限于小面積制備(約0.3cm2),面積放大會(huì)導(dǎo)致器件的轉(zhuǎn)換效率急劇下降(填充因子急劇變小);Kelly等人報(bào)道的效率為10.2%的最大柔性器件面積也僅略大于1cm2.如何獲得大面積的高轉(zhuǎn)換效率器件是一大9池的制備工藝。牛津大學(xué)Snaith教授預(yù)言了鈣鈦面與晶粒對(duì)光傳播與載流子輸運(yùn)是至關(guān)重要的.在原子、納米、微米層次對(duì)各種表界面的高光生載流子的收集效率是能否進(jìn)一步大幅提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換的最關(guān)的多重散射、光程增加,導(dǎo)致吸光效率增大;另一方面,半導(dǎo)體納米線陣列、量量論從制造成本還是其他方面考慮都具有潛在優(yōu)勢(shì)[23]。瑞典Lund大學(xué)的研究者[24]制備了一種垂直型利用p-i-n半導(dǎo)體InP納米線陣列太陽(yáng)能電池,最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)13.8%,其開(kāi)路電壓高達(dá)0.91V,第一次超過(guò)了對(duì)應(yīng)的平面薄膜太陽(yáng)能電池,是充分利用表界面效應(yīng)的一個(gè)非常成功的例子。2.5.3材料與能帶工程：縱觀鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的發(fā)展軌跡，材料的選擇與其微觀結(jié)構(gòu)的高效利用是非常重要的。合適的材料可以起到意想不到的積極作m利用表面等離激元(SPP)效應(yīng)對(duì)入射光光路進(jìn)行干預(yù),可以設(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)來(lái)提1)在電池結(jié)構(gòu)表面嵌入納米金屬顆粒陣列(圖2.7(a)),可以將入射光散射到介電常數(shù)更大的吸收層內(nèi),延長(zhǎng)了光路的傳播長(zhǎng)度;2)將尺度合適的金屬納米顆粒注入吸收層中間(圖2.7(b)),可利用表面等離激元的近場(chǎng)效應(yīng),以便于增大對(duì)光的有效吸收面積;3)在電池底部設(shè)計(jì)規(guī)律起伏的金屬電極(圖2.7(c)),能夠?qū)⒖v向入射的光耦合成橫向傳播的光,同樣有效提高了光的傳播長(zhǎng)圖2.7應(yīng)用于太陽(yáng)能電池的幾種表面等離激元增強(qiáng)光捕獲的納米結(jié)構(gòu)盡最大程度利用表面等離激元結(jié)構(gòu)進(jìn)行入射光的干預(yù),可以把不同吸收波長(zhǎng)區(qū)間asmonic1如圖2.8)，制備出有機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，打算過(guò)金屬納米顆粒表面的表面等離激元激發(fā),增強(qiáng)對(duì)入射光的有效吸收截面(表面等離激元增強(qiáng)效應(yīng))，或者是金屬納米顆粒起到了某種“染料”效應(yīng)，把光生電Au@SiO2核殼結(jié)構(gòu)提高鈣鈦礦電池效率池的入射光管理工程示意圖AlO顆(a)傳統(tǒng)的薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)僅發(fā)生部分反射;(b)在半導(dǎo)體納米線陣列中修飾有AlO顆粒,造成入射光的多重反射,增加光的反射路徑的半導(dǎo)體陣列,增加了吸光率,提高了太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率[29],如圖2.9所示。第三章有機(jī)/無(wú)機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池近年來(lái)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池發(fā)展出了有機(jī)/無(wú)機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。(mesopscopicstruc)tue下扼要介紹這種電池的介觀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及基本原理。剛開(kāi)始，CH3NH3PbX3作為一種嶄新的染料被應(yīng)用在染料敏化太陽(yáng)能電池以使用用絕緣的Al2O3[31]或ZrO2[32]替換TiO2作為框架。TiO2框架需要在500℃左右燒結(jié)才能得到牢固的結(jié)構(gòu)，若將其用Al2O3替換則可以將燒結(jié)溫度這種結(jié)構(gòu)避免了電子-空穴對(duì)的復(fù)合，并且提供了有效收集所需的擴(kuò)散長(zhǎng)度。為Kim等[35]首先報(bào)道了全固態(tài)的鈣鈦礦電池。他們以CH3NH3PbI作為光吸收材料，h芳胺聚(PTAA)作為空穴傳輸材料，制得光電轉(zhuǎn)換效率超過(guò)了12%的電池。圖3.1介觀鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)為空穴傳輸材料的介觀鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其光電轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到6%和TiO的高電導(dǎo)率以及功機(jī)/無(wú)機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具有突出的優(yōu)勢(shì)(2).有高的消光系數(shù)和可調(diào)的帶隙寬度：禁帶寬度可以通過(guò)鹵族元素替代的成分控制來(lái)實(shí)現(xiàn)帶隙寬度的人為控制；具有極高的消光系數(shù),光吸收能力比其(3).雙極性載流子輸運(yùn)性質(zhì)：此類材料產(chǎn)生的電子和空穴各有自己的傳輸介質(zhì)，傳輸效率高，相較其它太陽(yáng)能電池載流子壽命長(zhǎng)得多，且輸運(yùn)長(zhǎng)度大于1還會(huì)有更令人期待的提升空間。圖3.2不同電池的最高開(kāi)路電壓與帶寬的差值對(duì)比(6).制備成本相對(duì)較低：電池核心材料-復(fù)合鈣鈦礦材料已有成熟的工藝流，低耗且環(huán)保。(7).有望制成高效柔性器件：通過(guò)采取一定工藝可以將電池制在需要的柔的柔性襯底上制備的鈣鈦礦柔性電池具有10.2%的轉(zhuǎn)換效率,是柔性太陽(yáng)能器件發(fā)展中的一個(gè)里程碑。第四章結(jié)語(yǔ)礦型太陽(yáng)能電池性能之所以格外