钙钛矿型多晶薄膜太阳能电池的研究进展_何庭伟

第34卷增刊

硅酸盐通报Vol．34Supplement 2015年11月BULLETIN OF THE CHINESE CEＲAMIC SOCIETY November ，2015

钙钛矿型多晶薄膜太阳能电池的研究进展

何庭伟1，刘志勇1，2，黎文峰

1（1．河南师范大学物理与电子工程学院，新乡453007；2．河南省光伏材料重点实验室，新乡453007）

摘要：自2009年钙钛矿材料首次被应用到太阳能电池领域以来，

由于众多科学工作者的努力，钙钛矿类太阳能电池的研究不断取得新的突破，钙钛矿型多晶薄膜太阳能电池的光电转换效率已经超过了20%，并且还有望继续提

高。本文首先简单概述钙钛矿类材料的基本特点和四种基本结构，然后重点介绍钙钛矿型多晶薄膜太阳能电池发

展的三个阶段，包括钙钛矿型太阳能电池的起步阶段、钙钛矿型太阳能电池的转换效率快速提高阶段和钙钛矿型

太阳能电池性能不断提升阶段。最后指出钙钛矿类薄膜太阳能电池的巨大发展前景以及钙钛矿类太阳能电池发

展中面临的有毒、不稳定、寿命短三大问题，如果这些问题被成功解决，会将钙钛矿薄膜太阳能电池的发展推到一

个崭新的高度。

关键词：钙钛矿太阳能电池；转换效率；研究进展

中图分类号：O469文献标识码：A 文章编号：1001-

1625（2015）S-0193-05Progress of Perovskite Polycrystalline Silicon Thin Film Solar Cells

HE Ting-wei 1，LIU Zhi-yong 1，2，LI Wen-feng 2

（1．College of Physics and Electronic Engineering ，Henan Normal University ，Xinxiang 453007，China ；

2．Henan Key Laboratory of Photovoltaic Materials ，Xinxiang 453007，China

Abstract ：Perovskite was first used in solar battery in 2009．The research of perovskite solar cells has

made a breakthrough under the efforts of many workers and scholars．The transformation rate of perovskite

solar cells has been over 20%which is on the way to increasing．First of all ，this paper describes the

basic features of perovskite material and four types of basic structure of perovskite polycrystalline silicon

thin film solar cells．Then it emphasizes the three stages of the development of perovskite polycrystalline

silicon thin film solar cells ，including the starting ，the process of increasing the transformation rate and

the improvement of perovskite solar cells．Finally ，it points out that there are still three major problems in

the development of the perovskite solar cells．Such as being poisonous ，not being stable and short

longevity．If these problems can be solved ，the development of perovskite solar cells can be put at a

higher level．It also involves the enormous prospect．

Key words ：perovskite solar cell ；transformation effort ；research progress

基金项目：河南省教育厅基金（14A140010）

作者简介：何庭伟（1992-

），男，硕士研究生．主要从事太阳能电池方面的研究．通讯作者：刘志勇，副教授．

1引言

人类对能源的需求越来越大，日渐枯竭的化石能源难以满足社会发展的需求，化石能源在使用过程中对环境的污染也逐渐成为人类社会面临的一个严峻问题，因此新能源开发成为了人类文明可持续发展的方向。

近几年，

对能够将太阳能直接转化为电能的钙钛矿型太阳能电池的研究成为全球科学研究的热点之一。DOI:10.16552/https://www.360docs.net/doc/6f912874.html,ki.issn1001-1625.2015.s1.048

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自20世纪70年代起，陆续发展了几种类型的薄膜太阳能电池，包括：硅基薄膜电池、碲化镉薄膜电池、铜铟镓硒薄膜电池、染料敏化电池和有机薄膜电池等［1］。虽然多年来薄膜太阳能电池取得了很大的发展，但由于太阳能电池转化效率较低、电池成本较高等因素，很难满足规模化发电的要求。如何提高太阳能电池的转化效率，降低太阳能电池的生产成本，成为众多学者研究的课题。近年来，一种新型薄膜太阳能电池--金属卤化物钙钛矿型多晶薄膜太阳能电池，由于其原材料普通、制作工艺简单，兼具生产成本低和光电转换性能优异等特点逐渐成为研究热点。2009年，首次出现的有机无机杂化的卤素钙钛矿太阳能电池光电转化效率只有3．8%［2］。2011年后人们对该类型电池的研究取得了一系列重大突破［3-6］，其光电转化效率在2014年已经实现19．3%［7］。随着现代科学技术的不断发展，钙钛矿型太阳能电池的的转换效率有望进一步提高，其发电成本也有望低于传统化石能源的发电成本［8］。

2钙钛矿结构太阳能电池

2．1钙钛矿结构类型材料

钙钛矿型太阳能电池是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池。在这种钙钛矿结构（ABX3）中，A一般为CH3NH+3、CH3CH2NH+3和HN=CHNH+3等；B多为金属Pb原子，有些也为金属Sn原子；X为Cl、Br、I等卤素单原子或混合原子［9］。目前在高效钙钛矿型太阳能电池中，最常见的钙钛矿材料是碘化铅甲胺（CH3NH3PbI3），它的带隙约为1．5eV。

2．2钙钛矿太阳能电池的类型

在钙钛矿类太阳能电池的发展过程中，根据它的结构和机理的不同，可将这类太阳能电池分为四种类型。第一类是染料敏化型钙钛矿太阳能电池；第二类是介观超结构钙钛矿太阳能电池（MSSC）；第三类是二维平面钙钛矿太阳能电池；第四类是CH3NH3PbI3/TiO2异质结太阳能电池［10］。

染料敏化型钙钛矿太阳能电池与染料敏化太阳能电池有完全相同的电池结构，主要由光阳极、光吸收材料、空穴传输材料（HTM）和对电极组成，其电解质可分为液态和固态两种。Abrusci等团队分别对电池的阳极材料［11］、光吸收材料［12，13］、空穴传输材料［14-17］进行改进，使得电池的转换效率不断提高。

介观超结构钙钛矿太阳能电池为了减小能量损耗，通过利用CH3NH3PbI3本身具有导电性的特质，使光生电子直接通过钙钛矿自身来传输，使太阳能电池的光电转化效率得以提高。Zhang团队［18］选用Al2O3代替TiO2作为骨架制备的钙钛矿太阳能电池，在介观超结构钙钛矿太阳能电池中最具有代表性。

二维平面钙钛矿太阳能电池是指太阳能电池中不需要三维空间骨架材料作为支撑材料的钙钛矿太阳能电池［10］，具有结构简单、便于制备等特点。二维平面钙钛矿太阳能电池的结构比带有空间三维骨架的钙钛矿太阳能电池结构简单，现有成熟的镀膜工艺有效改善了电池的内部缺陷［19-23］。

3NH

PbI

/TiO

微观异质结太阳能电池是由FTO导电玻璃、氧化钛薄膜、CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜以

及金属电极组成的，它的特点是没有空穴传输材料，Etgar等［24］和Ku等［25］研制的太阳能电池都极大地降低了其生产成本。

3钙钛矿型多晶薄膜太阳能电池的研究进展

钙钛矿类化合物作为一种新型的功能材料，具有稳定的晶体结构以及氧化还原、氢解、异构化、电催化等特性，是物理、化学和材料等领域的研究热点，钙钛矿型薄膜太阳能电池便由此走上了人类文明发展的历史舞台。

3．1钙钛矿型太阳能电池的起步阶段

2009年钙钛矿材料开始被用于太阳能电池的研究，日本横浜大学宫坂力教授（Tsutomu Miyasaka）用甲氨碘化铅（CH3NH3PbI3）作为燃料，将敏化纳米多孔TiO2层吸收光子应用于染料敏化太阳能电池，制造出具有3．8%光电转换效率的钙钛矿型太阳能电池［2］。尽管Miyasaka等制作的钙钛矿型太阳能电池与传统的染料敏化太阳能电池相比，它的光电转换效率并不高、稳定性能也比较低，但这种电池在可见光区具有较宽的

增刊何庭伟等：钙钛矿型多晶薄膜太阳能电池的研究进展195

光吸收谱段和较高的开路电压，显示出了其巨大的发展潜力。虽然钙钛矿类太阳能电池在当时并没有引起广泛的关注，但在沉寂了短短两年之后，众多的国内外研究机构和企业开始投入资金和力量进行钙钛矿型太阳电池的研究，由此引发了光伏产业的革命，钙钛矿型太阳能电池进入了快速发展的时期。

3．2钙钛矿型太阳能电池的转换效率快速提高阶段

2011年，Park工作组优化了钙钛矿和氧化钛表面的制作工艺，成功研制的CH

3NH

PbI

钙钛矿型太阳电

池采用纳米结构和液态电解质I－3/I－氧化还原对作为空穴传输层，将钙钛矿型太阳能电池的光电转换效率提高到了6．5%［3］。但电池在短时间内便会失效，因为电池中用于空穴传输的I－3/I－电解液会将钙钛矿材料

3NH

PbX

（X代表卤族元素）分解。Wang研究组［26］为了解决钙钛矿材料易分解的问题，尝试在钙钛矿/

TiO

薄膜上修饰了一层氧化铝，经过处理的钙钛矿型太阳能电池的稳定性得到了显著性提高。

2012年，科学家将一种固态的空穴导体材料（HTM）-有机分子螺二芴（spiro-MeOTAD）作为空穴传输层，制作了历史上首个全固态CH3NH3PbI3钙钛矿结构太阳能电池，使其光电转换效率提高到了9．7%［4］。HTM 的使用，在一定程度上解决了太阳能电池难封装和不稳定的问题，并且所制得电池的转换效率超过了传统固态敏化太阳能电池。同年11月，Snaith工作组与Miyasaka研究组联合报道了利用成本低廉、操作简单的溶液技术，制备了介孔Al2O3超结构作为支撑骨架的有机金属卤化物钙钛矿基太阳能电池，使电池的开路电压提升到了1．1V，光电转换效率效率提升到了10．9%［27］。

2013年7月，瑞士Graetzel实验室优化了薄膜制作技术，改进原有的一步制备法，用溶液旋涂两步法依次在纳米多孔TiO2薄膜上沉积PbI2和CH3NH3I合成钙钛矿CH3NH3PbI3多晶薄膜，显著改善了薄膜的均匀性，使其转换效率达到了15%［5］。9月，Snaith小组采用双源共蒸发技术制备CH3NH3PbI3－x Cl x钙钛矿吸收层、利用简单气相法制备平面异质结，制成的高钙钛矿薄膜太阳能电池光电转换效率超过了15．4%［6］。报道称，CH3NH3PbI3－x Cl x的载流子扩散长度可达1μm，这很可能得益于在钙钛矿层中少量引入Cl元素取代元素I的缘故［28］。Ball等［29］又通过比较介孔纳米Al2O3多孔薄膜的厚度与太阳能电池光伏性能的关系，发现薄膜骨架层的最优厚度是400nm，他们又利用石墨烯材料改进了TiO2薄膜致密层的导电性，使制得的钙钛矿型薄膜太阳能电池的光电转换效率达到了15．6%［30］。

同年，Snaith工作组和Graetzel工作组同时在Science上报道了传输距离高于1μm的钙钛矿吸收层太阳能电池［31］，Graetzel等［5］经过负载试验发现，此类电池经封装后连续使用500h仍可保持超过80%的光电转换效率，在当时被认为是稳定性最好的钙钛矿型薄膜太阳能电池。同年年底Kelly小组采用室温旋涂溶液工艺制备的高效钙钛矿太阳电池，在AM1．5光照条件下的光电转换效率达到了15．7%［32］。随后Snaith工作组通过优化氧化钛层旋涂液、降低退火温度，使太阳能电池能够在低于150?C的条件下获得15．9%的转换效率［33］。

从2009年到2013年的短短五年的时间里，钙钛矿型薄膜太阳能电池的光电转换效率从3．8%迅速上升到超过15%，这在薄膜太阳能电池的发展进程上是空前的。基于钙钛矿太阳能电池如此迅猛的发展，可以预测，未来人们获得更优良性能的钙钛矿型薄膜太阳能电池。

3．3钙钛矿型太阳能电池性能不断提升阶段

2014年5月，武汉大学方国家小组在国内钙钛矿太阳电池学术会议上报道称，他们研制的

3NH

PbI

3－x

钙钛矿型太阳电池的转换效率达到了16．02%［34］。随后，美国McGehee M工作组在钙钛

矿型太阳能电池上层叠了Pb和I制成的钙钛矿/CIGS层叠太阳能电池，使制得的太阳能电池整体的光电转换效率提高到了18．6%［35］，而CIGS电池原来的转换效率为17%。McGehee认为钙钛矿没有使太阳能电池的转换效率得到很大提高的原因，可能是电池中的不吸光层在阳光进入CIGS电池的过程中起到了阻碍作用，他同时提出在每组钙钛矿的电极间结合两个吸光层用于改善材料，从而使这个问题得到解决。

2014年8月，加州大学的杨阳团队对钙钛矿层的生长工艺进行改进，通过优化钙钛矿结构层，选择更适合电荷传输的材料，让电池两端的电极能够收集到更多的电荷，研制的钙钛矿型太阳能电池的光电转换效率

196硅酸盐通报第34卷

达到了19．3%［7］。同年，Martin等［36］声称，他们研制的有机金属卤化物钙钛矿材料的太阳能电池的光电转换效率达到了20．1%（单元面积为0．0955cm2），但其单元面积较小，测量误差大，测量方法也未公开。后来，韩国化学技术研究所的Sang Il Seok研究组在Science上发表文章称可以制作出转换效率达20．2%的钙钛矿类太阳能电池［37］。这种电池应用基于分子内部交换的方法沉积制备高质量的FAPbI3薄膜，用甲脒碘化物取代晶格中的二甲亚砜，形成FAPbI3钙钛矿结构，电池的光吸附剂采用这种材料，进一步提高了它的光电转换效率。

钙钛矿型太阳能电池从2009年的3．8%到现在的超过20%，只有经历了短短几年的时间，钙钛矿型薄膜太阳能电池具有极为优良的光吸收性质和高效的光电转换特性，是它与传统染料敏化太阳能电池相比，之所以大幅提高光电转换效率的原因［38］。尽管到目前为止，钙钛矿型多晶薄膜太阳能电池的光电转换效率并不是很高，但它仍具有十分广阔的发展前景，进一步降低钙钛矿太阳能电池的生产成本、提高转换效率和增强稳定性能、推进工业应用与商业化，是其必然的发展趋势。

4总结与展望

在钙钛矿型太阳能电池的研究取得巨大进展的同时，我们也应当注意到3个需要解决的问题：（1）钙钛矿型太阳能电池材料有毒。铅是钙钛矿电池里含有的一种材料，它对人体和环境都有极大的危害。尽管有人用金属锡代替作为材料，但其光电转换效率较低。（2）钙钛矿型太阳能电池性能不稳定。钙钛矿中的铅成分很容易氧化挥发，晶体遇到水时又容易分解，很有可能渗出流到屋顶或进入土壤中破坏生态环境。（3）钙钛矿太阳能寿命短。目前寿命最长的钙钛矿太阳能电池也仅仅能正常工作1000h左右，而传统晶硅电池寿命一般可达到25年，钙钛矿型太阳能电池的寿命是制约其应用的一个重要问题。

尽管钙钛矿型薄膜太阳能电池研制遇到这些难题，我们还是不能忽略它的巨大发展前景。钙钛矿型薄膜太阳能电池可以通过低成本的气相沉积工艺、液相沉积工艺以及液相/气相混合沉积工艺进行大面积的规模生产，很有希望实现具备高转换效率、低制造成本、低能源消耗等优点的新生代太阳能电池。在众多科学工作者的不断努力之下，很多难题终将会被克服，钙钛矿型薄膜太阳能电池很有希望真正成为低成本、高效率、环境友好的能源产业中的主流产品。

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精选钙钛矿太阳能电池研究综述资料

精品文档钙钛矿太阳能电池引言 21世纪以来，人口急剧增长，能源和环境问题日益明显。目前，人们主要消耗的是不可再生能源，例如煤、天然气、石油等化石燃料。而未来人类还需大量的能源，故人类正在积极开发新能源。而太阳能具有清洁、无污染、分布广并且能量充分，是目前广大科研人员的研究重点。而光伏为开发太阳能的主要对象，主要其具有安全、清洁、成本低廉等优点。目前，市场上主要为第一代硅基太阳能电池，大约占了90%，其余的约10%被CdTe和GIGS为代表的第二代薄膜太阳能电池所占据。然而，硅基太阳能电池在原材料和制造上，其成本都比较高，工艺较复杂。因此，人们正在努力开发高效率、低成本的新型太阳能电池。如钙钛矿太阳能电池[1]。近年来，钙钛矿太阳能电池由于光电效率高，工艺简单等一些优异性能而受到人们的广泛关注。现如今广大研究人员正在大力研究，开发钙钛矿太阳能电池，其光电转化效率正在不断突破、提高，有可能达到甚至超过单晶硅太阳电池（25.6%）的水平。其中钙钛矿太阳能电池的光电转化效率被证实已达到了20. 1%[2]，这项重大的成就于2013 年度，成功被Science 评选为十大科学突破之一[3]。一钙钛矿太阳能电池的发展历程人们从十年以前就开始研究钙钛矿型结构化合物，刚开始由于其具有优异的光子传导性以及半导体特性，而被应用于薄膜晶体管和有机发光二极管中。[4] 2009 年，Miyasaka 等[5]首先制得钙钛矿结构的太阳能电池，它主要是以 CH3NH3PbBr和CHNHPbI为光敏化剂。这成功地跨出了钙钛矿太阳能电池发3333展的第一步，也为钙钛矿太阳能电池发展奠定了重要的基础。 2011年，Park 等[6]以CHNHPbI为光敏化剂，通过改善工艺及优化原料333组分比，成功制备了光电转化效率为6. 54%的钙钛矿太阳能电池，其结构和性能得到了一定的提升。精品文档．精品文档 2012年，Snaith 等[7]利用CHNHPbICl作为光吸收剂，并且将结构中的233TiO层用AlO层进行替代，最终电池的效率增加到10.9%。钛矿太阳能电池逐322渐引起了科研人员的广泛关注，进入了高速发展阶段。 2013 年，钙钛矿太阳能电池在结构以及性能上，都得到了进一步的优化。Gratzel 等[8]制备了光电转化效率为15% 的钙钛矿太阳能电池，所采用的方法是两步连续沉积法。同年，Snaith 等[9]采用双源蒸镀法成功制备了平面异质结钙钛矿太阳能电池，其光电转换效率为15. 4%。 2014 年，Han 等[10]采用全印刷的手段来制备无空穴传输层，同时用碳电极取代金属电极，成功制备了光电转化效率为11. 60%的钙钛矿太阳能电池。Kelly 等

钙钛矿太阳能电池的光物理原理

钙钛矿太阳能电池的光物理原理钙钛矿太阳能电池的光物理溶液制备法制备的有机-无机杂化钙钛矿型太阳能电池，是光伏领域的一种新型太阳能电池新型材料，其光电转换效率已经超过17%，并且在该领域产生了巨大影响。这篇文章中，在这类新的光伏材料中，关于载流子动力学和电荷转移机制中的光物理和新的发现，进行了检验和提炼。一些开放性物理问题也将被讨论。关键词：甲基氨碘化铅，钙钛矿型太阳能电池，光物理，瞬态吸收光谱，电荷动力学，电荷转移机制有机无机杂化钙钛矿型太阳能电池（或简单的钙钛矿型太阳能电池）是在低成本光电池的研究中的最主要的突破。在这大约5年的期间里，这些溶液加工制备的太阳能电池成为第三代太阳能电池的先驱，比如有机太阳能电池，染料敏化太阳能电池，量子点太阳能电池。尽管，在最近举行的材料研究学会2014春季会议报告中声称，电池的转化效率已经达到了19.3%，但是到目前为止，能够证明确定的记录是17.9%，而在2009年，这个记录只有3.8%。相比较而言，染料敏化太阳能电池需要二十多年的研究才超过10%的转化效率。尽管在器件性能的显著增加，但钙钛矿型太阳能电池中的光物理机制仍然是不明确的。在本文中，我将首先简要地回顾了目前的钙钛矿型太阳能电池领域的进展，然后追踪一下光物理研究的发展。我还会强调一下钙钛矿中电子和空穴的扩散长度，CH3NH3PbI3的热空穴冷却动力学和放大自发辐射的发现。最后，在这些材料中，一些关于光物理的问题也会进行讨论。 2.有机无机钙钛矿太阳能电池 2.1 三维的有机无机钙钛矿电池的结构钙钛矿是一般化学式为AMX3 化合物的总称。A阳离子在立方晶胞的8个角上，M阳离子被6个X阴离子包围，位于[PbI6]4- 八面体的中心。如图1，CH3NH3PbI3情况。尽管钛酸钙的通用名称有着相同的“钙钛矿”标签，但有机无机钙钛矿材料与他们同名仅仅是因为他们的结构。在纳米科学发展的19世纪80年代，这类杂化材料能够形成三维（3D）到零维（0-D）与[PbI6]4- 八面体单元的类似物，直到把晶胞已作为广泛应用在半导体介观量子限制效应模型而深入研究。CH3NH3PbX3 （其中x是Cl，Br，I）是广泛调查的光伏材料的选择，这个材料由3D八面体网状结构形成。 2.2该领域和基本器件结构的概述

(完整版)钙钛矿太阳能电池研究综述

钙钛矿太阳能电池引言 21世纪以来，人口急剧增长，能源和环境问题日益明显。目前，人们主要消耗的是不可再生能源，例如煤、天然气、石油等化石燃料。而未来人类还需大量的能源，故人类正在积极开发新能源。而太阳能具有清洁、无污染、分布广并且能量充分，是目前广大科研人员的研究重点。而光伏为开发太阳能的主要对象，主要其具有安全、清洁、成本低廉等优点。目前，市场上主要为第一代硅基太阳能电池，大约占了90%，其余的约10%被CdTe和GIGS为代表的第二代薄膜太阳能电池所占据。然而，硅基太阳能电池在原材料和制造上，其成本都比较高，工艺较复杂。因此，人们正在努力开发高效率、低成本的新型太阳能电池。如钙钛矿太阳能电池[1]。近年来，钙钛矿太阳能电池由于光电效率高，工艺简单等一些优异性能而受到人们的广泛关注。现如今广大研究人员正在大力研究，开发钙钛矿太阳能电池，其光电转化效率正在不断突破、提高，有可能达到甚至超过单晶硅太阳电池（25.6%）的水平。其中钙钛矿太阳能电池的光电转化效率被证实已达到了20. 1%[2]，这项重大的成就于2013 年度，成功被Science 评选为十大科学突破之一[3]。一钙钛矿太阳能电池的发展历程人们从十年以前就开始研究钙钛矿型结构化合物，刚开始由于其具有优异的光子传导性以及半导体特性，而被应用于薄膜晶体管和有机发光二极管中。[4] 2009 年，Miyasaka 等[5]首先制得钙钛矿结构的太阳能电池，它主要是以 CH3NH3PbBr 3和CH 3 NH 3 PbI 3 为光敏化剂。这成功地跨出了钙钛矿太阳能电池发展的第一步，也为钙钛矿太阳能电池发展奠定了重要的基础。 2011年，Park 等[6]以CH 3NH 3 PbI 3 为光敏化剂，通过改善工艺及优化原料组分比，成功制备了光电转化效率为6. 54%的钙钛矿太阳能电池，其结构和性能得到了一定的提升。

浅谈钙钛矿太阳能电池技术与发展

浅谈钙钛矿太阳能电池技术与进展全华锋BY619102 摘要：基于钙钛矿材料(CH3NH3PbI)制备的太阳能电池的效率由2009年的3.8%增长到了目前的20.2%，因为其较高的光吸收系数，较低的成本以及易于制备等优势引起了广泛的关注。钙钛矿材料不仅可以作为光吸收层，还可以作为电子传输层(ETM)和空穴传输层(HTM)，由此可以制备不同结构的钙钛矿太阳电池：介孔结构、介观超结构、平面结构和有机结构等。除此之外，钙钛矿材料的制备方法的多样性也使其更具吸引力，目前已有一步溶液法、两步连续沉积法、双源共蒸发法和溶液—气相沉积法。本文主要介绍钙钛矿太阳电池的发展历程、工作原理、薄膜的制备方法以及各层的作用，最后对钙钛矿太阳电池面临的问题和发展前景进行介绍。关键词：钙钛矿材料；太阳电池；光吸收层 1.钙钛矿太阳电池的发展历程随着人类社会的不断发展与进步，由工业发展带来的能源和环境问题日益明显，化石燃料（石油、煤炭、天然气等）的有限储量及其燃烧带来的全球变暖问题使人们不得不去寻找和开发环保且可再生的新型能源。太阳能来源丰富，取之不尽，用之不竭，而且太阳能绿色环保无污染，是未来有希望获得大规模应用的新能源之一，受到国际社会的广泛关注与研究。将太阳能转换为电能的重要器件之一就是太阳电池。 2009年，日本人Kojim等首先将有机-无机杂化的钙钛矿材料应用到量子点敏化太阳电池中，制备出第一块钙钛矿太阳电池，并实现了 3.8%的效率。但这种钙钛矿材料在液态电介质中很容易溶解，该电池仅仅存在了几分钟级宣告失败，随后，Park等人于2011年将CH3NH3PbI纳米晶粒改为2-3nm，效率达到了6.5%。由于仍然采用液态电解质，仅仅经过10min，电池效率就衰减了80%。为解决钙钛矿的稳定性问题，2012年Kim等人将一种固态空穴传输材料(spiro-OMeTAD)引入到钙钛矿太阳电池中，制备出第一块全固态钙钛矿太阳电池，电池效率达到了9.7%。即使未经封装，电池在经过500小时后，效率衰减很小。空穴传输层(HTM)的使用，初步解决了液态电解质钙钛矿太阳电池不稳定和封装困难的问题。随后Snaith等首次将Cl元素引入到钙钛矿中，并使用Al2O3代替TiO2,证明钙钛

钙钛矿太阳能电池材料

背景在能源紧缺的现代社会，为了维持人类的可持续发展，科学家们一直致力于新能源的研究，其中至少在几十亿年内都取之不尽的太阳能便成了热门的研究对象。太阳能电池大家都不陌生，它通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能。钙钛矿材料我们也很熟悉，就是一类有着与钛酸钙（CaTiO3）相同晶体结构的材料，其结构式一般为ABX3，其中A和B是两种阳离子，X是阴离子。但钙钛矿太阳能电池却是一个比较新的概念。 2009年日本桐荫横滨大学的宫坂力教授将碘化铅甲胺和溴化铅甲胺应用于染料敏化太阳能电池，获得了最高%的光电转化效率，此为钙钛矿光伏技术的起点但它直到2014年左右才被人们重视起来。是因为在短短几年间其效率一直在显著提升，这是NREL上实验室最高电池效率的图，我们可以看出钙钛矿材料的效率上升速率远远超过了其他同类型材料。钙钛矿材料被认为是最有可能取代硅晶材料作为太阳能电池的材料概述钙钛矿太阳电池一般采用有机无机混合结晶材料——如有机金属三卤化物CH3NH3PbX3（X=Cl, Br, I）作为光吸收材料。该材料具有合适的能带结构，其禁带宽度为，因与太阳光谱匹配而具有良好的光吸收性能，很薄的厚度就能够吸收几乎全部的可见光并用于光电转换。如图所示，这是钙钛矿太阳能电池的一般结构结构，由上到下分别为玻璃、FTO、电子传输层（ETM）、钙钛矿光敏层、空穴传输层（HTM）和金属电极。其中电子传输层常常用TiO2 钙钛矿电池一个显著的特点是IV曲线（伏安曲线）的滞后（I-V hysteresis）（通常叫滞后现象或迟滞现象），一般从反向扫描（开路电压－短路电流）得到的曲线比正向扫描（短路电流－开路电压）看起来好很多。现在对钙钛矿的这种现象还没有一个很好的解释，目前比较合理的解释是：钙钛矿材料具有很强的铁电性能（ferroelectricity）以及巨大的介电常数，导致电池的低频电容很大，比其他任何一种光伏电池都显著。文献

钙钛矿太阳电池的研究进展_刘成

CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2014年第33卷第12期?3246? 化工进展钙钛矿太阳电池的研究进展刘成，沈璐颖，徐郑羽，王冉，赵高超，史高杨，代晓艳，史成武（合肥工业大学宣城校区，安徽宣城242000）摘要：介绍了卤铅铵钙钛矿（CH3NH3PbX3，X = Cl、Br、I）的结构及其在新型无机-有机杂化异质结钙钛矿太阳电池中的应用，阐述了钙钛矿太阳电池的结构与工作原理，着重从钙钛矿太阳电池的致密层、钙钛矿吸收层（有骨架层和无骨架层）及有机空穴传输层三个重要组成部分的材料、微结构及制备方法等方面分析了钙钛矿太阳电池的研究进展及存在的问题。并结合不同课题组的研究成果评价了钙钛矿太阳电池各组成部分相应的材料、微结构及制备方法等对太阳电池光伏性能和长期稳定性的影响。此外还介绍并比较了反转结构与柔性太阳电池的光伏性能，简要讨论了钙钛矿太阳电池的各层材料、结构、有毒重金属的替代、长期稳定性等方面的发展趋势。关键词：钙钛矿太阳电池；结构；工作原理；膜；太阳能中图分类号：O 649 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2014）12–3246–07 DOI：10.3969/j.issn.1000-6613.2014.12.019 Progress of perovskite solar cells LIU Cheng，SHEN Luying，XU Zhengyu，WANG Ran，ZHAO Gaochao，SHI Gaoyang，DAI Xiaoyan， SHI Chengwu （Xuancheng Campus，Hefei University of Technology，Xuancheng 242000，Anhui，China）Abstract：In this paper，the structure of methylamonium lead trihalide perovskite (CH3NH3PbX3，X = Cl，Br and I) and its application in the novel inorganic-organic hybrid hetero-junction perovskite solar cells are described. The structure and operation principle of the perovskite solar cell are presented，and the influences of material composition，microstructure and preparation method of the compact layer，perovskite absorber layer，and hole-transporting materials on photovoltaic performance and long-term stability are discussed. Photovoltaic performance of the inverted and flexible solar cells is introduced and compared. The development tendency of materials，structure，alternatives for harmful heavy metals，and long-term stability of perovskite solar cells is described. Key words：perovskite solar cell；structure；operation principle；film；solar energy 钙钛矿最初是指一种稀有矿石CaTiO3，典型的钙钛矿结构化合物可表示成AMX3[1]。在钙钛矿太阳电池中，A通常为有机铵阳离子（可替换为Cs+等阳离子），金属阳离子M2+（主要为Pb2+、Sn2+等）和卤素离子X?（Cl?、Br?、I?）通过强配位键形成八面体结构MX64?，M位于卤素八面体的体心，X 通过与八面体顶点的共顶方式连接，并在三维空间方向上无限延伸，形成了网络状的框架结构，简称卤铅铵，其晶体结构如图1所示[2]。卤铅铵钙钛矿具有合适和易调节的带隙（如CH3NH3PbI3为1.5eV，CH3NH3PbBr3为 2.3eV等）[3]、较高的吸收系数（>104cm?1）[4-5]、优异的载流子传输性能以及对杂收稿日期：2014-08-01；修改稿日期：2014-08-30。基金项目：国家自然科学基金（51472071、51272061、51072043）、国家973计划重大科学问题导向项目（2011CBA00700）及合肥工业大学大学生创新性实验计划（201410359078）项目。第一作者：刘成（1995—），男。联系人：史成武，教授，研究方向为太阳电池材料与器件、离子液体的合成及应用和非水溶液电化学等。 E-mail shicw506@https://www.360docs.net/doc/6f912874.html,。

钙钛矿太阳能电池的发展现状及展望

钙钛矿太阳能电池的发展现状及展望最近几年，钙钛矿太阳能电池作为在低成本光伏领域的重大突破而变得很有名。此电池的光电转换效率已接近效率超过15％的硅晶太阳能电池。令人惊异的是，如此惊人的成就在短短5年就已完成。在2009年时钙钛矿太阳能电池的光电转换效率才仅有 3.8％.从那以后，这个领域就呈几何级数扩散。在这种情况下，我们归纳了钙钛矿太阳能电池的基本工作原理和实验室制备方法。同时总结了此类电池现在存在的问题和未来发展方向。关键词：光伏、钙钛矿、太阳能电池、光电转换效率 1.1背景介绍随着现代化社会的高速发展，能源问题日益突出。目前经济发展所需要的能源大部分来自经地球几十万年存储下来的化石能源。根据中国科学院院士、中国科学院能源研究委员会副主任严陆光在武汉四中参加武汉百万市民科学活动时作出的估计，根据现在已探明的储量和消耗水平计算，化石能源中石油可用30至50年，天然气可用60至80年，煤炭可用时间稍微长一些，大约100至200年。同时由于化石能源的消耗造成的环境污染同样不容忽视。化石能源的燃烧会产生氮、硫氧化物，形成酸雨，破坏环境（如树林、动物大量死亡，估计被腐蚀等），产生得二氧化碳会形成温室效应，破坏生态平衡，同时会产生引发呼吸道疾病的细微粉尘。化石燃料的使用也是造成雾霾问题的一大原因。因此，寻找可替代的，清洁的能源已迫在眉睫。太阳能是世界上最为丰富的能源之一。地球上一年的太阳照射产生的能量高达1.5×1018千瓦时。而我们正在大量使用的化石能源，其已探明储量，石油为1.75×1015千瓦时，煤炭为1.4×1015千瓦时，天然气为5.5×1015千瓦时。由此

钙钛矿太阳能电池的机遇与挑战

钙钛矿太阳能电池的机遇与挑战光伏电池组件来源:北极星太阳能光伏网 2019/9/11 13:40:18 “在新型太阳能电池中，钙钛矿太阳能电池是最有前景的。”9月10日下午，在智慧能源与绿色发展论坛上，上海科技大学教授宁志军分享了钙钛矿太阳能电池的机遇与挑战。上海科技大学教授宁志军专题链接：现场直播丨智慧能源与绿色发展论坛以下为会议实录：宁志军：非常荣幸与大家分享一下钙钛矿太阳能电池最近的进展以及我们实验室目前最新的研究。我的介绍分四个部分，第一是钙钛矿太阳能电池的现状，二是挑战，第三部分是我们最新研究进展，最后总结一下。在5种新型太阳能电池中，钙钛矿太阳能电池是最有前景的。因为这个材料比较新，我还是给大家简单介绍材料的结构，主要是由阳离子、有机阳离子、无机3个组分组成。大家一般认为传统半导体材料要实现非常好的性质，就是高纯的晶体硅，而钙钛矿是目前唯一的溶液法就可以得到高质量的半导体。它具有非常好的半导体性质，比如载流子迁移率非常高、激子寿命长、缺陷浓度小、可见光区吸光度高，原料易得等。它的结构主要是两种，一个是正式结构，一个是反式结构，反式结构可以全部用无机的来做。值得重视的是，钙钛矿电池还可以跟晶体硅电池做一个叠层电池，可以吸收800纳米以上的光。目前发表出来的文章电池效率达

25.2%，目前认证的最高效率是英国一家公司的28%。此外，大家很担心钙钛矿大面积制备的问题，现在这个问题也慢慢得到解决，日本东芝公司已具备了大面积制备的工艺。下面分析一下钙钛矿太阳能电池的成本。钙钛矿电池的成本，基于这样一个结构，它是用导电玻璃在上面，再是金属电机的结构，计算下来总的成本，如果电池能达到20%的效率，它的成本大概控制到0.2美元以下，就是1块钱每瓦这样的水平。这里面主要成本来自导电玻璃这一块，本身材料很便宜，只占到14%左右的成本，钙钛矿不像晶体硅，非常薄，成本非常低。如果说导电玻璃大规模生产，钙钛矿电池成本可能继续进一步降低。进一步计算每度电的成本，如果效率20%的话，按目前成本计算，它的成本就在小于2毛钱每度电的水平上面。如果说后面效率进一步提高，它的成本可能会进一步降低。目前产业链这块，钙钛矿电池主要分为三个部分，包括原材料，包括碘化纤（音），还有ITO玻璃；组件制备，下游厂商进行电池发电贴膜、便携式电子设备。国外企业钙钛矿太阳能电池已经进入中级的阶段，国内领先的公司，如杭州纤纳光电，三个博士合伙人，在三年时间内把钙钛矿大规模组件从开始百分之六七左右很低的效率提高到17%这样的水平。还有江苏协鑫公司，他们计划1MW产线投产。国际企业包括日本东芝公司、松下公司等。松下今年发布新闻，他们组件已经通过标准稳定性的测试，在双85的条件下器件能够放置1000个小时，这个非常重要，1平方厘米效率突破20%，此外钙钛矿叠层，他们能做28%小规模组件的效率。根

钙钛矿型太阳能电池研究进展

课序号文献检索和数据库期末论文题目：钙钛矿型太阳能电池研究进展姓名郭天凯学号2012437019 年级专业2012应用物理指导教师 2014年7月11日摘要：近年来，为了解决日益严峻的能源和环境问题，人们把目光投向了新能源的开发和利用上。在各种新能源技术中，光伏发电无疑是最具有前景的方向之一。传统的硅基太阳能电池虽然实现了产业化，有着较为成熟的市

场，但其性价比还无法与传统能源相竞争，并且制造过程中的污染和能耗问题影响了其广泛应用。因此，研究和发展高效率、低成本的新型太阳能电池十分必要。在众多的新型太阳能电池里，钙钛矿薄膜太阳能电池近两年脱颖而出，吸引了众多科研工作者的关注，还被《Science》评选为2013年十大科学突破之一。钙钛矿薄膜太阳能电池的光电转化效率在5年的时间内从3.8%迅速提高到经过认证的16.2%（截止到2013年底），把染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池等新型薄膜太阳电池甩在了身后。关键词：钙钛矿太阳能电池，研究领域，前沿科技，发展态势一、钛矿太阳电池技术研究领域的定义及其重要性 1、钛矿太阳电池技术研究领域的定义钙钛矿太阳电池是以具有钙钛矿结构的有机-金属卤化物（简称：钙钛矿）等作为核心光吸收、光电转换、光生载流子输运材料的太阳电池。钙钛矿太阳电池技术研究领域是指有关钙钛矿太阳电池的工作机理、结构、特性、核心制备工艺与关键产业化生产工艺、应用研究等。钙钛矿太阳电池所采用的这种具有钙钛矿结构的有机-金属卤化物光吸收体具有良好的光吸收、光电转换特性以及优异的光生载流子输运特性，其电子与空穴扩散长度均可超过1000 nm。因而采用这种新型光电转换材料的钙钛矿太阳电池具有特别优异的光电转换特性，目前实验室样品光电转换效率已高达16.2%。目前钙钛矿太阳电池的构造通常采用体相异质结结构、平面异质结结构和无空穴输运材料异质结结构等。钙钛矿太阳电池的实验室制备工艺通常采用液相沉积工艺、气相沉积工艺以及液相/气相混合沉积工艺。基于上述简洁的构造、方便的制备工艺和优异的光电转换性能，钙钛矿太阳电池因而有望成为具有高效率、低成本、柔性、全固态等优点的新一代太阳电池。钙钛矿太阳电池的大规模产业化生产将可采用卷对卷湿法涂覆、可打印印刷技术和干法等离子体增强沉积技术等。钙钛矿太阳电池具有光明的应用前景和宽广的应用范围，特别适用于建筑光伏一体化（BIPV）、偏远地区分布式发电电站、家庭式发电电站、移动（室内、便携式）电子产品、艺术装饰品等应用。 2、钛矿太阳电池技术研究领域的重要性能源是社会和经济发展的重要基础条件，迄今为止人类社会发展仍然主要依赖于化石能源。但化石能源在地球上的分布极不均衡，并且终究会枯竭。另外燃烧化石能源带来的环境污染、雾霾气候和温室效应严重威胁人类社会的可持续发展。太阳电池能够利用太阳能直接转化为电能，可以为人类社会发展提供取之不尽用之不竭的清洁能源，是人类社会应对能源危机，解决环境问题，寻求可持续发展的重要对策。经过长期的研究与发展，目前单晶硅基太阳电池技术已经比较成熟。但单晶硅基太阳电池存在生产成本高、生产过程能量消耗大、环境污染严重、

钙钛矿太阳能电池的研究进展

钙钛矿太阳能电池的研究进展人们对太阳能这一新型能源认识的不断加深，促使以太阳能作为主要能源的各类产品得以广泛应用和发展，其中，钙钛矿太阳能电池则是人们对太阳能这一新型能源不断研究的产物。为了进一步提高人们对钙钛矿太阳能的认识，文章通过对钙钛矿太阳能中的钙钛矿材料进行阐述，进而对钙钛矿太阳能电池中作为重要的部分，即光吸收层的制备方法和钙钛矿太阳能电池的结构方面的研究作出了系统的说明和分析。标签：钙钛矿；光吸收层；太阳能电池前言长期以来，低成本且高转化率的光伏器件一直是光伏器件领域研究的重要方向，自2009年钙钛矿太阳能电池产生后，钙钛矿太阳能电池得到了国际学术界的高度认可和重视。作为一种新型的太阳能电池，钙钛矿太阳能电池无论在其吸光材料还是内部结构方面均具有良好的优势。基于此，加强对钙钛矿太阳能电池光吸收层以及器件结构的研究，无疑成为了理论界和学术界需要共同开展的关键工作。 1 钙钛矿材料概述对钙钛矿太阳能电池的光吸收层进行分析可知，其实质上是一种有机—无机的杂化材料，其化学式为CH3NH3PbX3，此材料的晶胞结构为典型的钙钛矿晶体结构，其中，PbX6形成八面体，且相互接触沟通构成具有三维结构的框架，而CH3NH3+则被嵌入其内。由于钙钛矿太阳能电池的光吸收层具有电致发光与光致发光的特性，不仅具有直接带隙和较高的光吸收系数，而且还具有良好的截流子输运性能和較高的缺陷容忍度。还需说明的是，钙钛矿光吸收层的禁带宽度同AM1.5光照下的最佳带隙值，即1.4eV极为接近，但却比Br和Cl的含I（碘）的钙钛矿材料在水蒸气条件中更易分解，故在制备过程中可借助Br和Cl元素取代部分CH3NH3PbX3能够提高其抗分解的能力[1]。 2 钙钛矿太阳能电池光吸收层制备方法就现阶段而言，钙钛矿太阳能电池的高质量光吸收层的制备方法主要以溶液法和共蒸发法为主。 2.1 基于单步法与两步法的溶液法溶液法主要包括了单步法和两步法两种。其中，单步法通常以一定的化学计量比将CH3NH3X以及PbX2共同溶解在溶剂（N-二甲基甲酰胺）当中从而构成前驱体溶液，而后，将此前驱体溶液直接旋涂在TiO2上，并将其置于100℃的N2手套箱内进行干燥。在整个干燥过程中，前驱体溶液中的发生CH3NH3X与

钙钛矿太阳能电池的研究进展

40 第 44 卷第 9 期2015 年 9 月 Vol.44 No.9Sep.2015 化工技术与开发 Technology & Development of Chemical Industry 钙钛矿太阳能电池的研究进展杨　林1，左智翔2，于凤琴1，纪三郝 1，王天华1，王鸣魁 2 （1.中化化工科学技术研究总院，北京 100083；2. 华中科技大学光电国家实验室（筹），湖北武汉 430074）摘要：近年来，得益于钙钛矿材料突出的光学和电学特性，全固态钙钛矿基太阳电池效率不断取得突破，现已超过20%。业界纷纷期待着钙钛矿电池的产业化前景。文章介绍了钙钛矿作为光电材料的一些光学、电学性能，回顾了钙钛矿电池的发展历程。围绕基本结构，论述了钙钛矿电池中的基本光电转换过程，并对各种衍生结构的钙钛矿电池进行了罗列、分类，重点介绍了无空穴传输层的钙钛矿电池，阐明了无空穴传输层电池在稳定性和使用寿命、成本控制等关键问题上的优势所在，同时基于廉价碳电极的无空穴传输层太阳电池效率也已接近15%，且仍有较大提升空间。关键词：钙钛矿电池；光电转换效率；异质结；空穴传输层；碳电极中图分类号：TM 914.4+3 文献标识码： A 文章编号：1671-9905(2015)09-0040-06作者简介：杨林（1978-），男，博士，高级工程师，河北石家庄人，主要从事有机合成的研究。E-mail: yanglin@https://www.360docs.net/doc/6f912874.html, 通讯联系人：王鸣魁收稿日期：2015-07-02 根据美国能源信息局的报告，预计到2035年，全球能源消耗将比现在增加50%，其中，化石能源消耗将占世界能源消耗总量的86%[1]。可以说用“能源危机”来描述当前的形势丝毫不为过。而化石能源链条一旦中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧，最终葬送现代市场经济。与此同时，大量消耗化石能源导致的温室气体排放，不仅使全球气候发生变化，海平面上升，还将造成全球大气环流调整和气候带向极地扩展。总之，在世界能源现状日益拮据，化石能源迟早面临枯竭，环境污染问题频发的今天，寻求新能源成了当今世界、当今中国最迫切的选择。太阳能作为一种清洁的可再生能源，开发利用太阳能，能够同时解决环境污染问题和满足全球范围内日益增长的能源需求。目前对太阳能的利用主要是基于光伏原理的太阳能电池。太阳能电池的种类有很多，按照出现的先后顺序，大体可以分为三代。一代单晶硅、多晶硅太阳能电池是目前市场上的主流产品，工艺成熟，光电转换效率高，但是高纯硅材料成本太高，工艺复杂，限制了它的大规模应用。二代多元化合物薄膜太阳能电池虽然也有较高的光电转换效率，但是它的一些原材料属稀有元素，而且像镉具有严重的污染性。这样就催生了三代太阳能电池，该代太阳能电池具有取材广泛、性能提升空间大等诸多优点，虽尚未发展到实际应用阶段，但它们是目前学术界广泛研究的热点。在三代太阳能电池中，钙钛矿太阳电池（Perovskite Solar Cell, PSC）最近几年发展势头尤为迅猛。图1是各种太阳能电池效率发展史及最高效率，从图1中可以看到PSC 在2009年效率只有3.8%[2]，到现在已经超过20%，发展速度远远快于同为三代太阳能电池的染料敏化太阳能电池（DSC）和有机聚合物太阳能电池（OPV）。基于有机金属卤化物的PSC 被认为是近年来光伏领域最重要的发明之一。自从2012年报道第一篇关于全固态太阳能电池用CH 3NH 3PbI 3作为吸光材料以后，通过调整PSC 内部界面的能级结构和改善控制电池薄膜的质量和形态以及设计一系列不同的电池结构，PSC 的效率不断取得突破。 1975E f f i c i e n c y /% 50 48444036322824201612840 199519802000198520051990 20102015 图1　各种太阳能电池的效率发展史及最高效率

钙钛矿太阳能电池

1.引言面对日益紧张的能源和环境危机，对新能源、可再生能源的需求日趋迫切，如何更有效、更低成本地利用取之不尽用之不竭的太阳能一直备受关注。然而传统的硅太阳能电池由于成本高、硅提纯过程对环境污染大等问题，使其大规模应用受到一定限制。因此，寻找低成本、环境友好的新型太阳能电池成为普遍关注的重点。钙钛矿太阳电池是由染料敏化电池演化而来.CH 3NH 3PbX 3 材料吸收系数高达 10 5; 通过调节钙钛矿材料的组成, 可改变其带隙 [2 ] 和电池的颜色,制备彩色电池 [3 ] . 另外, 钙钛矿太阳电池还具有成本低, 制备工艺简单, 以及可制备柔性 [4 ]、透明 [5 ]及叠层电池 [6 ] 等一系列优点, 而且其独特的缺陷特性 [7 ,8] , 使钙钛矿晶体材料既可呈现 n 型半导体的性质, 也可呈现p 型半导体的性质, 故而其应用更加多样化. 而且 CH3NH3PbX3 具有廉价、可溶液制备的特点, 便于采用不需要真空条件的卷对卷技术制备, 这为钙钛矿太阳电池的大规模、低成本制造提供可能. 2009 年, 日本人 Kojima 等[1] 首次将有机、无机杂化的钙钛矿材料应用到量子点敏化太阳电池中,制备出第一块钙钛矿太阳电池, 并实现了 3.8%的效率. 但是这种钙钛矿材料在液态电解质中很容易溶解, 该电池仅仅存在了几分钟即宣告失败. 随后, Park 等 [9] 于 2011 年将 CH3NH3PbI3 纳米晶粒改为2—3 nm, 效率提高到 6.5%. 但是由于仍然采用液态电解质, 仅仅经过 10min, 电池效率就衰减了 80%. 为解决钙钛矿太阳电池的稳定性问题, 2012年 Kim 等人 [10 ] 将一种固态的空穴传输材料 (spiroOMeTAD) 引入到钙钛矿太阳电池中, 制备出第一块全固态钙钛矿太阳电池, 电池效率达到 9.7%. 即使未经封装, 电池在经过 500 h 后, 效率衰减很小.空穴传输层 (hole transport material, HTM) 的使用, 初步解决了液态电解质钙钛矿电池不稳定与难封装的问题. 随后 Snaith等 [11 ]首次将 Cl 元素引入钙钛矿中, 并使用 Al 2O 3 替代 TiO 2, 证明钙钛矿不仅可作为光吸收层, 还可作为电子传输层(electron transport material, ETM), 所得电池效率为 10.9%. 同样是在 2012 年, 瑞士的 Etgar等 [12 ] 在 CH 3NH 3PbI 3

钙钛矿太阳能电池材料的研究进展

第46卷第3期材料工程V。1.46 No.3 2018 年3月第 142 —150 页Journal of MaterialsEngmeering Mar. 2018 pp.142-150 钙钛矿太阳能电池材料的研究进展 Research Progress on Materials for Perovskites Solar Cells 邱婷，苗晓亮，宋文佳，楼冬，张树芳 (南京理工大学材料科学与工程学院，南京210094) QIU Ting，MIAO Xiao-liang，SONG Wen-jia， LOU Dong,ZHANG Shu-fang (School of Materials Science and Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094, China) 摘要：钙钛矿太阳能电池的研究在近5年内迅速发展，已经成为非常有活力的研究领域，在较短的时间内电池的效率得到了显著的提升。钙钛矿太阳能电池中钙钛矿材料的研究对于提高电池的效率有着重要的意义。本文综述了近年来在钙钛矿层制备方法、新材料的合成等方面存在的主要问题和研究进展。对各种制备方法的特点及改进优化进行了详细的介绍，并分析了新材料合成的必要性和所面临的问题。最后，指出了在降低钙钛矿毒性、大面积制备钙钛矿太阳能电池，以及降低成本等方面的研究前景，为今后高效、稳定的钙钛矿太阳能电池的研究提供方向。关键词：钙钛矿；太阳能电池；制备；薄膜 doi: 10.11868/-.issn.1001-4381. 2015. 001329 中图分类号：O475 文献标识码：A文章编号：1001-4381(2018)03-0142-09 Abstract：Perovskite solar cells(PSCs)have been developed rapidly as one of the most growing photovoltaic technologies in the last five years.The power conversion efficiency(PCE)of the solar cells has been unprecedentedly increased over the relatively short period.It is of great signii-cance to study the perovskite materials in this kind of solar cells for improving the efficiency.The most focused issues asw ell as themain progress in varied fabrication techniques and synthesis of new materials in recent years were reviewed in this paper.The characteristics and improvements of varied fabrication techniques are introduced in detail,the necessity and the problems facing for new materials synthesis were analyzed.Finally,a perspective view on reducing the toxicity of perovskite,preparing large-scale perovskite solar cells,and the cost reduction was given to p rovide the direction ture research of high-efficiency and stable perovskite solar cells. Key words：perovskite；solar cell；fabrication；thin film 近几十年来，随着工业发展和人口増长，全球能源需求不断増加，特别是对传统能源，如石油、煤炭和天然气的依赖仍在继续。到目前为止，超过80%的能源消耗来自化石燃料，这导致了环境污染和气候变暖等问题。更重要的是，化石燃料是不可再生能源，未来终将耗尽。而现代社会的发展需要更多低污染、可持续的能源。太阳能是人类取之不尽、用之不竭的可再生能源，同时也是清洁能源，在使用过程中不会产生任何的环境污染。利用太阳能进行发电是近些年来发展最快、最具活力的研究领域。人们已经研制和开发了各种太阳能电池。目前，硅基太阳能电池，特别是单晶硅太阳能电池由于转化效率较高已经实现了商品化，并在大规模应用和工业生产中占据主导地位，但由于其高昂的材料价格以及繁琐的制备工艺，使得其成本居高不下，而大幅度降低其成本又非常困难[1]。为此，发展硅电池的替代产品是非常有必要的。在这种情况下，成本相对较低的多晶硅薄膜太阳能电池和叠层（多结）非晶硅太阳能电池应用而生。但由于在多晶硅薄膜电池的生产工艺中，需要高温、高真空的气相沉积过程，成本仍然较高。对于成本更为低廉的非晶硅太阳能电池来说，非晶硅大约1. 7e V的光学带隙只能利用波长在730n m以下的太阳光辐射，明显减少了对近红

钙钛矿太阳能电池的光物理原理

钙钛矿太阳能电池的光物理摘要溶液制备法制备的有机-无机杂化钙钛矿型太阳能电池，是光伏领域的一种新型太阳能电池新型材料，其光电转换效率已经超过17%，并且在该领域产生了巨大影响。这篇文章中，在这类新的光伏材料中，关于载流子动力学和电荷转移机制中的光物理和新的发现，进行了检验和提炼。一些开放性物理问题也将被讨论。关键词：甲基氨碘化铅，钙钛矿型太阳能电池，光物理，瞬态吸收光谱，电荷动力学，电荷转移机制 1.引言有机无机杂化钙钛矿型太阳能电池（或简单的钙钛矿型太阳能电池）是在低成本光电池的研究中的最主要的突破。在这大约5年的期间里，这些溶液加工制备的太阳能电池成为第三代太阳能电池的先驱，比如有机太阳能电池，染料敏化太阳能电池，量子点太阳能电池。尽管，在最近举行的材料研究学会2014春季会议报告中声称，电池的转化效率已经达到了19.3%，但是到目前为止，能够证明确定的记录是17.9%，而在2009年，这个记录只有3.8%。相比较而言，染料敏化太阳能电池需要二十多年的研究才超过10%的转化效率。尽管在器件性能的显著增加，但钙钛矿型太阳能电池中的光物理机制仍然是不明确的。在本文中，我将首先简要地回顾了目前的钙钛矿型太阳能电池领域的进展，然后追踪一下光物理研究的发展。我还会强调一下钙钛矿中电子和空穴的扩散长度，CH3NH3PbI3的热空穴冷却动力学

和放大自发辐射的发现。最后，在这些材料中，一些关于光物理的问题也会进行讨论。 2.有机无机钙钛矿太阳能电池 2.1 三维的有机无机钙钛矿电池的结构钙钛矿是一般化学式为AMX3 化合物的总称。A阳离子在立方晶胞的8个角上，M阳离子被6个X阴离子包围，位于[PbI6]4- 八面体的中心。如图1，CH3NH3PbI3情况。尽管钛酸钙的通用名称有着相同的“钙钛矿”标签，但有机无机钙钛矿材料与他们同名仅仅是因为他们的结构。在纳米科学发展的19世纪80年代，这类杂化材料能够形成三维（3D）到零维（0-D）与[PbI6]4- 八面体单元的类似物，直到把晶胞已作为广泛应用在半导体介观量子限制效应模型而深入研究。CH3NH3PbX3 （其中x是Cl，Br，I）是广泛调查的光伏材料的选择，这个材料由3D八面体网状结构形成。 2.2该领域和基本器件结构的概述光电池CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3 的应用可以追溯到2009年T. Miyasaka及其合作者所开展的工作，他们把这些材料作为光吸收材料，在TiO2介孔层和卤化物电解质上面，达到了3.18%的光电转换效率。随后在2011年，N.G Park和他的合作者将这种液态电解液钙钛矿电池进一步优化，使效率达到了6.45%，然而，材料的稳定性以及容易在液体中溶解的性质为这些早期的电池带来了麻烦。在2012年，N. G. Park, M. Gr?tzel 在电池的稳定性和效率上取得了重要的突破，实现了9.7%的光电转换效率。接下来的工作，H. J. Snaith,

钙钛矿太阳能电池研究

目录中文摘要 (1) 引言 (2) 第1章钙钛矿太阳能电池简介 (3) 1.1 钙钛矿材料的研究 (3) 1.2 钙钛矿太阳能电池的由来和发展 (3) 1.3 钙钛矿太阳能电池的结构 (3) 1.4 钙钛矿太阳能电池的原理 (4) 1.5 钙钛矿薄膜的制备方法 (5) 1.6本论文的研究意义和内容 (6) 第 2 章钙钛矿太阳能电池的制备以及退火时间对电池的影响 (7) 2.1 实验部分 (7) 2．1.1 实验材料 (7) 2.1.2 实验仪器 (7) 2.1.3 实验过程 (8) 2.2 器件的测试与分析 (9) 第3章总结与发展 (14) 参考文献 (15) 致谢 (16)

中文摘要钙钛矿吸收层对于太阳能电池光电转换效率的影响是至关重要的。本文采用溶液法制备了钙钛矿太阳能电池，研究了在特定退火温度下退火时间对钙钛矿吸收层结构、形貌及其吸收的影响。研究结果表明：退火时间的增加有利于薄膜的晶化，晶粒变大，吸收增强；的峰，从而使材料的吸收强度降低。我们进一但退火时间太长易使钙钛矿材料中出现PbI 2 步探索了材料的退火时间对电池器件的性能产生怎样的影响，通过测试电池的J-V（电流-电压）特性，研究发现：随着材料退火时间的增加，开路电压（V oc）、短路电流（J sc）、和填充因子（FF）先增大到一个极大值点，然后减小，所以得出结论，在退火温度为95℃，退火时间为20分钟时，制备获得的钙钛矿太阳能电池的各方面性能达到最好。关键词：钙钛矿吸收层退火时间 Abstract Perovskite absorption layer is a key factor to affect photoelectric conversion efficiency of the solar cells. This article used solution process to make perovskite solar cells. We have researched how the annealing time influence the structure and morphology and absorption of the perovskite absorption layer. It shows that annealing time is important for the crystallization of membrane, crystal grain size and absorption of membrane, but if annealing time is too long, the perovskite materials will decompose into PbI2, and then reduce the absorption of the material strength. We further studied the influence of the annealing time to the performance of the device, through the J-V, it shows that with the increase of the annealing time，the short-circuit current、open circuit voltage、and fill factor first increases and then decreases. For the experimental condition of 20 minutes of annealing time at 95℃，all the aspects of the perovskite solar cells are best. Keywords: perovskite solar cells, absorb layer, annealing time.