钙钛矿太阳能电池基本原理和制备方法
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钙钛矿太阳能电池基本原理和制备方法
2.1基本原理
钙钛矿太阳能电池作为一种新出现的太阳能电池，其电池结构目前主要有两种，第一种是由染料敏化太阳能电池演化而来的“敏化”结构，此结构与染料敏化太阳能电池极为相似，具有高吸光性的钙钛矿材料作为光敏化剂，其层状结构
的每一层物质依次为透明导电玻璃、ZnO或TiO
2致密层、钙钛矿敏化的多孔TiO
2
或Al
2O
3
层、空穴传输层（HTMs）、金属电极，结构图如图2.1左。第二种是平面
异质结薄膜结构，其层状结构每一层物质依次为透明导电玻璃、ZnO或TiO
2
致密层、钙钛矿层、空穴传输层（HTMs）、金属电极，结构图如图2.1右。这种结构下钙钛矿既是光吸收层又是电子传输层和空穴传输层，其优良性能被充分利用。由于作为空穴传输层（HTMs）的Spiro-OMeTAD材料制备起来相对比较复杂和昂贵，因而无空穴传输层（HTMs）的钙钛矿太阳能电池的研发也成为科研热点。
图2.1 （a）“敏化”钙钛矿太阳能电池结构（b）平面异质结钙钛矿太阳能电池结构
2.1.1“敏化”钙钛矿太阳能电池
H.S.Kim等科学家制作出了光电转化效率为9.7％的敏化全固态钙钛矿太阳
能电池，作为光吸收层的钙钛矿CH
3NH
3
PbI
3
的光吸收系数很高，较薄的钙钛矿敏
化的多孔TiO
2
层可以吸收大量的光源，因而电池可以产生高达17.6mA/cm2的短
路电流密度。此后tzel
a
Gr 等科学家优化了电池制备方法，在TiO2光阳极表面上
形成CH
3NH
3
PbI
3
纳米晶，此纳米晶具有高吸附性和该覆盖性。此方法使得太阳能
电池光电转换效率达到15％，并且具有极高的稳定性，500小时后光电转化效率仍然达到一开始的80％.
一维的TiO
2纳米结构，包括纳米棒、纳米管、纳米线等，相比较于由TiO
2
纳米颗粒组成的薄膜，其电子传输效率更高，电子寿命更长，晶界的电荷复合效
率更低。TiO
2
薄膜因其有利于电子传输，具有恰当的能级，在传统的敏化结构太阳能电池中可以作为光阳极。其电荷转移示意图如图 2.2左。而由于钙钛矿
CH
3NH
3
PbI
3
具有长的电子扩散长度，且具有双极性输运性质，光生电荷载流子可
以被钙钛矿有效的分别传输到两端电极，因而绝缘的Al
2O
3
便可替代TiO
2
。Al
2
O
3
仅作为钙钛矿CH
3NH
3
PbI
3
的支架，光生电子被限制在CH
3
NH
3
PbI
3
内，只能在钙钛
矿内传输。J.M.Ball等科学家优化了Al
2O
3
的厚度，使得钙钛矿太阳能电池的光
电转换效率最高达到12.3％. 其电荷转移示意图如图2.2右。
图2.2 TiO2、Al2O3为光阳极的太阳能电池电荷转移示意图
2.1.2平面异质结钙钛矿太阳能电池
基于钙钛矿材料的高吸光率和可同时作为电子和空穴传输层的特性，钙钛矿
太阳能电池中的多孔氧化物层可以舍去。将钙钛矿CH
3NH
3
PbI
3
直接以薄膜的形势
涂于致密TiO
2
的FTO衬底上可以制备出平面异质结钙钛矿太阳能电池，制备方法
分为液相和气相法。气相法制备出的钙钛矿薄膜其均一性、致密性和无孔性要优
于液相制备的钙钛矿薄膜。保证TiO
2
致密层上钙钛矿薄膜的连续性和致密性对于
降低空穴传输层（HTMs）和TiO
2
致密层的直接接触有非常重要的作用，同时也可使电池的开路电压和填充因子有所提高。而钙钛矿薄膜的厚度对电子空穴的有效传输和太阳光的充分吸收有决定性的影响。H.J.Snaith等科学家使用气相沉积
技术在致密TiO
2薄膜上沉积出钙钛矿CH
3
NH
3
Pb(I
1-x
Cl
x
)
3
薄膜，制备出光电转换效
率大15.4％的平面异质结钙钛矿太阳能电池。
2.1.3无空穴传输层的钙钛矿太阳能电池
钙钛矿CH
3NH
3
PbI
3
的多种特性使得此薄膜可以兼顾空穴传输层（HTMs）的作
用。2012年，Etgar等科学家将TiO
2纳米片薄膜沉积在TiO
2
致密层的FTO导电
玻璃上，再在TiO
2纳米片薄膜上制备钙钛矿CH
3
NH
3
PbI
3
纳米晶，最后覆盖Au电
极，制备得无空穴传输层的钙钛矿太阳能电池。通过调整个薄膜厚度将此类电池的光电转换效率提高到8％，中科院孟庆波等科学家通过两步法制备出光电转换效率达10.49％的无空穴传输层的钙钛矿太阳能电池。图2.3左为无空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的微观结构，图 2.3右为其电荷分离的能级图。钙钛矿
CH
3NH
3
PbI
3
吸收太阳光后将电子和空穴分别注入到TiO
2
和金电极。电荷在TiO
2
层
和钙钛矿层之间传输，电池存在耗尽层，此耗尽层的内建电场促进电荷分离，并
可以延伸至钙钛矿层和TiO
2
层。