1、Efficient planar heterojunction perovskite solar cellsby vapour deposition高效平面異質(zhì)結(jié)氣相沉積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池,文獻(xiàn)背景： 目前世界上已發(fā)展了多種大型太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換光電技術(shù)。第一代晶體基光電轉(zhuǎn)換設(shè)備而發(fā)展的是靠異質(zhì)結(jié)產(chǎn)生電荷并在空間分布相中傳輸正負(fù)電荷的太陽(yáng)能電池，其具有夾在兩電極板中間的薄膜固態(tài)半導(dǎo)體吸收層和納米結(jié)構(gòu)。盡管在納米結(jié)構(gòu)元器件中使用了很多種材料，但仍未獲得高效的薄膜太陽(yáng)能電池。而金屬鹵化物鈣鈦礦顯示出了作為制備此種高效納米結(jié)構(gòu)元器件材料的潛力。,2/16,作者前期研究： 在染料敏化太陽(yáng)能電池，作者發(fā)現(xiàn)若將介孔

2、材料 TiO2替換成Al2O3，在稱為微超結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池中可以產(chǎn)生大于1.1V的開(kāi)路電壓，并顯著提高其效率。進(jìn)一步去除熱燒結(jié)形成的介孔材料Al2O3層，優(yōu)化處理過(guò)程，可以將微超結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池效率提高到12%。另外，CH3NH3PbI3 - xClx 可以在固溶處理平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能元器件中作為薄膜吸收層發(fā)揮相當(dāng)高效的作用，它在不含微超結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生5%的效率。 先前的這些工作都證明了鈣鈦礦吸收層是可以在簡(jiǎn)易平面結(jié)構(gòu)中起作用的，與此同時(shí)就產(chǎn)生了高效率是否必須要具備微超結(jié)構(gòu)，薄膜平面異質(zhì)結(jié)是否能發(fā)展成為一種卓越科技的問(wèn)題。,3/16,實(shí)驗(yàn)研究：,作者使用雙源氣相沉積技術(shù)，制作混合金屬鹵化物鈣鈦礦和CH3

3、NH3PbI3 - xClx的均勻平面薄膜。,沉積鈣鈦礦吸收層的雙源熱蒸發(fā)系統(tǒng)；有機(jī)源是碘甲烷，無(wú)機(jī)源是PbCl2,材料的沉積系統(tǒng)如圖a：,4/16,平面異質(zhì)結(jié)p-i-n鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖,從底部（光入射處）往上看，該元器件的結(jié)構(gòu)為氟摻雜氧化錫FTO覆蓋在玻璃上，接著其上面覆蓋n型TiO2緊實(shí)層作為電極板，再然后鈣鈦礦層覆于n型緊實(shí)層上方，再接著沉積的是能夠保證空穴在陰極處聚集的p型穿孔導(dǎo)體， (spiro-OMeTAD)。 考慮到此研究的目的是為了理解和優(yōu)化氣相沉積鈣鈦吸收層的性質(zhì)，緊實(shí)層TiO2和spiro-OMeTAD 空穴傳輸材料都需進(jìn)行固溶處理。,5/16,固溶處理鈣鈦礦薄

4、膜X衍射譜（藍(lán)色）和氣相沉積鈣鈦礦薄膜（紅色）。平移底線是為了方便對(duì)比，強(qiáng)度已經(jīng)作歸一化處理。,圖b對(duì)比了氣相沉積或固溶處理于TiO2緊實(shí)層上的鈣鈦礦薄膜的x射線衍射圖樣。主衍射峰，分別為14.12, 28.44和43.23對(duì)應(yīng)的110, 220 和 330 峰，固溶處理和氣相沉積薄膜的衍射峰位置相同，說(shuō)明了兩種技術(shù)產(chǎn)生了相同的具有斜方晶系的混合金屬鹵化物鈣鈦礦。值得注意的是，仔細(xì)觀察在14.12處的（110）衍射峰區(qū)域，在12.65僅僅存在著一個(gè)非常微小的峰值（即PbI2的(001）衍射峰），在15.68（CH3NH3PbCl3的（110）衍射峰)不存在可測(cè)的峰值，這說(shuō)明了相的純度很高。,6

5、/16,顯示的是晶體結(jié)構(gòu)的示意圖。CH3NH3PbI3和混合金屬鹵化物鈣鈦礦的主要區(qū)別體現(xiàn)在c軸的輕微收縮。這和混合金屬鹵化物鈣中cl原子位于頂部，并在PbI4面之外是一致的，而不是先前理論上預(yù)測(cè)的位于赤道八面體處。,含有ABX3形式的鈣鈦礦吸收層的晶格結(jié)構(gòu)，其中A是甲基，B是Pb，X是I或Cl,7/16,SEM俯視圖：氣相沉積鈣鈦礦薄膜（a）和固溶處理鈣鈦礦薄膜（b）,薄膜局部解剖：由氣相沉積和固溶處理的器件的剖面結(jié)構(gòu)之間的比較,突出的兩個(gè)沉積工藝生產(chǎn)的薄膜形貌之間的巨大差異。氣相淀積的薄膜是非常均勻的，顯示出在幾百納米長(zhǎng)度尺度的結(jié)晶特性。 與此相反，固溶處理的膜出現(xiàn)僅涂覆在襯底部分顯出幾十

6、微米的長(zhǎng)度尺度的結(jié)晶“片晶”。在固溶處理后薄膜的晶體之間的空隙會(huì)直接延伸至緊湊的TiO2被覆的FTO膜的玻璃。,8/16,SEM高倍下氣相沉積c和固溶處理d鈣鈦礦薄膜橫截面圖及晶體尺寸,氣相沉積鈣鈦礦薄膜（c）是均勻的，盡管與之相比晶粒稍大，但在外觀上和FTO層相似。固溶處理的鈣鈦礦薄膜在SEM照片中顯得非常平滑，這是因?yàn)槠渚Я３叽绫纫曇耙蟆?9/16,SEM低倍下氣相沉積e和固溶處理f鈣鈦礦薄膜橫截面圖及晶體尺寸,e中的氣相沉積薄膜仍保持平滑，薄膜平均厚度接近330nm。相反的是，f中固溶處理薄膜有起伏特點(diǎn)，其厚度值在50到410nm之間變化。值得注意的是，其橫斷面仍然屬于一個(gè)片層，因而在

7、鈣鈦礦吸收層完全缺失處產(chǎn)生了更大的長(zhǎng)程粗糙度。,10/16,太陽(yáng)能電池性能。在模擬AM1.5光照強(qiáng)度101 mWcm（實(shí)線）和黑暗條件下（虛線）最佳固溶處理（藍(lán)色，三角）和氣相沉積（紅色，圓圈）平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池電流密度/電壓曲線。,最高效氣相沉積鈣鈦礦元器件具有21.5mAcm-2短路電流，1.07V的開(kāi)路電壓和0.68的填充系數(shù)，效率可以達(dá)到15.4%。同批次最佳固溶處理平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池能夠產(chǎn)生17.6mAcm-2短路電流，0.84 V 的開(kāi)路電壓和0.58的填充系數(shù)，效率達(dá)到8.6%。,11/16,在表1中顯示了這些最佳電池的性能參數(shù)和一批12件經(jīng)過(guò)相同方法制得的最佳氣

8、相沉積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的參數(shù)均值及標(biāo)準(zhǔn)差。,12/16,結(jié)論探討：,1、雙源氣相沉積使得鈣鈦礦薄膜層在一定長(zhǎng)程范圍內(nèi)很均勻，因此大大提高了太陽(yáng)能電池的性能。 2、通過(guò)氣相沉積的鈣鈦礦作為夾層的簡(jiǎn)單的平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池可以獲得超過(guò)15%的光電轉(zhuǎn)換率（在模擬充足光照的條件下測(cè)量）。這證明了鈣鈦礦吸收層能夠在簡(jiǎn)易元器件中以高效率工作，而無(wú)需復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)。 3、在優(yōu)化平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池時(shí)，鈣鈦礦薄膜厚度是一個(gè)重要的參數(shù)。如果薄膜太薄，那片區(qū)域就不能吸收足夠多的陽(yáng)光。如果薄膜太厚，會(huì)有很大幾率電子和空穴擴(kuò)散距離會(huì)比薄膜厚度小，電荷將會(huì)不能在p型和n型異質(zhì)結(jié)處聚集。 4、固溶處理薄膜某些區(qū)域材

9、料的完全缺失會(huì)造成p型spiro-OMeTAD 和 TiO2緊實(shí)層的直接接觸。這會(huì)導(dǎo)致形成并聯(lián)回路，這可能是固溶處理平面異質(zhì)結(jié)元器件低填充系數(shù)和開(kāi)路電壓的原因。如此不均勻和不平滑固溶處理薄膜轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到8%是很不尋常的。,13/16,氣相沉積的特點(diǎn)、應(yīng)用：,1、氣相沉積較之固溶處理的一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)是它可以大面積制備多層次薄膜。氣相沉積是玻璃、液晶顯示、薄膜太陽(yáng)能電池等行業(yè)中一項(xiàng)較成熟的技術(shù)。 2、氣相沉積可以實(shí)現(xiàn)在有一定滲入程度的復(fù)合層界面處電子接觸的全面優(yōu)化，這已經(jīng)在“薄本征層”異質(zhì)結(jié)晶體硅太陽(yáng)能電池和薄膜太陽(yáng)能電池中實(shí)現(xiàn)。 3、具有氣相沉積制備的超薄復(fù)合層的有機(jī)發(fā)光二極管已經(jīng)得到了很好的商業(yè)應(yīng)用。,14/16,1、盡管研究和發(fā)展水平不高，由于氣相沉積可以精確調(diào)節(jié)電荷聚集界面并且更容易實(shí)現(xiàn)多結(jié)架構(gòu)，小分子有機(jī)太陽(yáng)能光電板已經(jīng)能與固溶處理有機(jī)太陽(yáng)能光電板有力競(jìng)爭(zhēng)。 2、由于鈣鈦礦層的氣相沉積技術(shù)可以和傳統(tǒng)硅晶片基和薄膜太陽(yáng)能電池的處理方法較好結(jié)合，相關(guān)機(jī)構(gòu)可能已經(jīng)做好加強(qiáng)此技術(shù)應(yīng)用的準(zhǔn)備。 3、鈣鈦礦吸收層可能成為了高效率太陽(yáng)能電池中的通用材料。 4、氣相沉積技術(shù)是會(huì)成為生成制造的首選路線，還是僅僅代表了制造超均勻薄膜的基礎(chǔ)方法（最終要配以固溶處理）這些問(wèn)