中间相辅助制备碳电极全无机混合卤素钙钛矿太阳电池研究
钙钛矿太阳能电池课件PPT
Nature 501, 395 (202X) 英国牛津大学Henry Snaith小 组，15.4%
Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells
染料敏化电池的研发方向和内容
光阳极膜性能的提高。制备电子传导率高、抑制电荷 复合的高性能多孔半导体膜，并优化膜的性能；改进 制膜的方法，使其工艺更简单、成本更低；寻找其它 可代替TiO2 的氧化物半导体。
染料敏化效果的提高。设计、合成高性能的染料分子， 并改善分子结构，提高电荷分离效率，使染料具有更 优异的吸收性能和光谱吸收范围；充分利用多种染料 的特征吸收光谱的不同，研究染料的协同敏化，拓宽 染料对太阳光的吸收光谱。
光敏层，即钙钛矿光吸收层，接受光照激发产生光电 子，注入到多孔半导体层。后来的研究发现，该光敏 层同时具有电子传输功能。
空穴传输材料，捕获空穴，代替传统染料敏化电池中 的电解液，对于制造全固态敏化电池是一个大的突破。
金属电极，即背电极，在染料敏化电池结构中相当于 对电极。
Michael Gratzel小组的最新成果
钙钛矿太阳能电池
《科学》杂志评选202X年度十大科学突 破，第3项。钙钛矿型太阳能电池: 一种 新时代的太阳能电池材料在过去的这一 年中获得了大量的关注，它们比那些传 统的硅电池要更便宜且更容易生产。钙 钛矿电池还没有像商用太阳能电池那样 有效，但它们正在快速不断地得到改善。
美国宾州大学的Andrew Rappe研究组，将钙 钛矿结构的铁电晶体用于光伏转换，提高光吸 收效率，号称转换效率可达50%以上。目前只 是材料和结构的设想，尚未制作出实际器件。
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 3.8%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1.5eV，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。
钙钛矿太阳电池CsPbI_(3)的相稳定性研究进展
钙钛矿太阳能电池报告ppt课件
➢ 双源气相沉积法
➢ 顺序气相沉积法
MA : CH3NH3+
MA : CH3NH3+
Journal of Nanomaterials, vol. 2018, Article ID 8148072, 15 pages, 2018.
合成方法 — 溶液法
➢ 一步法
➢ 两步法
MA : CH3NH3+
MA : CH3NH3+
ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 42436-42443
含噻唑 240nm
界面钝化
功率转换效率
无噻唑
14%
50个太阳能电池功率转换效率直方图
含噻唑
ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 42436-42443
18%
界面钝化
目录 CONTENTS
1 历史背景
2 钙钛矿太阳能电池的基本结构
3 高效率太阳能电池的实现
4 前景及挑战
钙钛矿光伏技术的起点：
Organometal halide perovskites as visible- light sensitizers for photovoltaic cells
被《Science》杂志评为 2013 年十大科学突破之一
无噻唑 120nm
Top-view SEM images MAPbI3 films: (a, b) fabricated without thiazole; (d, e) fabricated with a thiazole additive (c, f) Histogram of the grain size for MAPbI3 films w/o and with thiazole
钙钛矿太阳能电池PPT课件
户外装备
钙钛矿太阳能电池还可用 于为户外装备提供电力， 如帐篷、野营灯等，为户 外活动提供便利。
在太空探测领域的应用
太空飞行器能源
钙钛矿太阳能电池具有高效能量 转换和轻量化的特点，适用于太 空飞行器的能源供应，为太空探 测任务提供稳定、可靠的能源支
持。
月球基地能源
在月球基地建设中，钙钛矿太阳 能电池可以作为可持续的能源解 决方案，为月球基地提供长期、
面临的挑战
稳定性
钙钛矿太阳能电池的稳定性问题是 目前最大的挑战之一，需要进一步 研究以提高其长期使用的可靠性。
毒性
部分钙钛矿材料可能对人体和 环境有害，需要寻找无毒或低 毒的替代品。
大面积制备
目前钙钛矿太阳能电池的大面 积制备还存在一定的技术难度 和挑战。
效率衰退
钙钛矿太阳能电池在长时间使 用后可能会出现效率衰退的问 题，需要进一步研究和解决。
项目目标
本项目旨在研发高效钙钛矿太阳能电池，实现产业化生产和应用，推动新能源技术的进步 和发展。
技术路线与实施方案
技术路线
本项目采用新型钙钛矿材料，通过材料合成、器件制备、性 能测试等技术手段，研发出高效钙钛矿太阳能电池。
实施方案
本项目分为材料合成、器件制备、性能测试、产业化生产四 个阶段。在每个阶段，我们将严格按照技术路线图进行实验 和测试，确保项目顺利实施。
低成本制造工艺
钙钛矿太阳能电池的制造工艺相对简 单，成本较低，有利于大规模生产和 应用。
02
钙钛矿太阳能电池的原理
钙钛矿的结构与性质
钙钛矿材料具有ABX3型晶体结 构，其中A为有机阳离子，B为 金属阳离子，X为卤素阴离子。
钙钛矿材料具有直接带隙半导 体特性，光吸收系数高，吸光 能力强。
钙钛矿太阳能电池材料
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。
钙钛矿太阳能电池技术与发展ppt课件
12.1%
15%
二、钙钛矿材料的制备方法与形貌控制 2.4气相法（2）
分步气相法（SVD）：将PbCl2蒸镀成平整的薄膜，再在加热的衬底上蒸镀上MAI薄膜 闪蒸法（FE）：将钙钛矿粉末作为蒸发源，利用较大的电流，瞬间蒸发形成薄膜 CVD法：将MAI粉末至于高温段，通过氮气气流，MAI蒸汽到达放置了PbI2薄膜的低温段进行反应
层叠结构 厚度~400nm 制作简单 开路电压高 重复性较差 形貌不稳定 回滞较明显
介孔结构
平面异质结结构（p-i-n）
钙钛矿电池的发展过程
最佳结构
二、钙钛矿材料的制备方法与形貌控制 2.1一步旋涂法
不同前驱液配比 PbI2：MAI
不同退火温度
常见参数： 溶剂：DMF，GBL，DMSO 配比：PbI2：MAI=1：1，PbCl2：MAI=1:3 旋涂速度：2000-4500 rpm 退火温度：常温~130°C 溶液浓度：1M
为解决介孔结构上钙钛矿负载量小，表面起伏较大等问题，制作工艺随之发展
一步法
两步法
纳米碳管作为介孔材料
三、钙钛矿太阳能电池的结构优化 3.1介孔结构PSC 3.1.1半导体介孔材料（ZnO）
通过精确调控参数也使得该类型器件效率达到15.7% 不需要经过高温烧结，工艺简单 可运用雨柔性衬底
钙钛矿形貌
柔性电池
三、钙钛矿太阳能电池的结构优化 3.1介孔结构PSC 3.1.1绝缘体介孔材料
绝缘体介孔材料仅祈祷骨架辅助成膜作用，不参与载流子输运，在材料选择上具有很大自由度
Al2O3介孔材料
ZrO2介孔材料
全干法制备钙钛矿太阳能电池
全干法制备钙钛矿太阳能电池
全干法制备钙钛矿太阳能电池是一种新型的制备方法，可以在无机溶剂中通过化学反应合成钙钛矿薄膜，用于制备高效率的太阳能电池。
该方法的基本步骤如下：
1. 制备前驱体溶液：通过将钙和钛的碱式盐或有机金属盐溶解在适当的溶剂中，得到钙钛矿前驱体溶液。
2. 溶液处理：控制溶液的温度、浓度和反应时间，使前驱体溶液中的钙和钛离子进行适当的反应和转化，形成钙钛矿晶种。
3. 晶种转化：将形成的钙钛矿晶种转移到导电基底上，使其在基底上生长成具有特定结构和形貌的钙钛矿薄膜。
4. 热处理：将钙钛矿薄膜进行适当的热处理，以优化晶格结构和提高电池性能。
5. 光电性能测试：对制备的钙钛矿太阳能电池进行光电性能测试，评估其能量转换效率和稳定性。
全干法制备钙钛矿太阳能电池具有制备速度快、操作简单、适用于大面积制备等优点。
然而，该方法的工艺条件和材料性质等仍需进一步研究和改进，以提高其制备效率和稳定性，实
现在实际应用中的广泛应用。
全无机钙钛矿太阳能电池湿度稳定性和光热稳定性研究进展
第42卷第4期2021年4月发光学报CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCEVol.42No.4Apr.,2021文章编号：1000-7032(2021)04-0486-18全无机钙钛矿太阳能电池湿度稳定性和光热稳定性研究进展刘鲲鹏，刘德烨，刘凤敏*(吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点实验室，吉林长春130012)摘要：近年来，钙钛矿太阳能电池因高效率、低成本等特点获得了持续的关注，但是有机成分在稳定性方面始终存在一些问题。
相比于有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池，全无机钙钛矿材料可以很大程度上避免外界环境的影响，对氧环境要求低,对于湿度环境的容许度也比较大；由于自身结构，在光热稳定性方面，也要优于有机-无机杂化钙钛矿。
因此，发展全无机钙钛矿太阳能电池是有效提高钙钛矿太阳能电池稳定性的方向之一。
本文从稳定性方面入手，系统地介绍了全无机钙钛矿太阳能电池的最新研究进展。
结合全无机钙钛矿太阳能电池稳定性的影响因素，总结了当前全无机钙钛矿电池稳定性问题的主要解决方案,最后对解决全无机钙钛矿材料的稳定性进行了展望。
关键词：全无机钙钛矿；太阳能电池；稳定性中图分类号：TM914.4；TH691.9文献标识码：A DOI：10.37188/CJL.20200343Research Progress in Humidity Stability andLight-thermal Stability of All-inorganic Perovskite Solar CellsLIU Kun-peng,LIU De-ye,LIU Feng-min*(State Key Laboratory of Integrated Optoelectronics,College of Electronic Science and Engineering,Jilin University,Changchun130012,China)*Corresponding Author,E-mail:liufm@Abstract：In recent years,perovskite solar cells have received continuous attention due to their high efficiency and low cost,but there are problems in the stability of organic pared with organic-inorganic hybrid perovskite solar cells,all-inorganic perovskite materials can avoid the influence of the external environment,with low requirements for oxygen environment and relatively high tolerance for humidity environment.Due to its own structure,it is also superior to organic-inorganic hybrid perovskite in terms of photothermal stability.Therefore,the development of perovskite solar cells is one of the directions to effectively improve the stability of perovskite solar cells.In this paper,the latest progress in the study of all-inorganic perovskite solar cells is systematically introduced from the aspect of bined with the influencing factors of the stability of all-inorganic perovskite solar cells,the main solutions to the current stability problems of all-inorganic perovskite solar cells are summarized,and the prospects for the stability of all-inorganic perovskite solar cells are given.Key words:all-inorganic perovskite；solar cells；stability收稿日期：2020-11-10；修订日期：2021-01-13基金项目：吉林省省校共建项目(SXGJXX2017-3)资助Special Project of the Province-U niversity Co-constructing Program of Jilin Province(SXGJXX2017-3)第4期刘鲲鹏，等：全无机钙钛矿太阳能电池湿度稳定性和光热稳定性研究进展4871引言近年来,钙钛矿材料由于具有光吸收系数高、载流子迁移率大、发光波长可调等优点，被认为是最有应用前景的光电材料之一,通常是abx3结构［1-3］0基于钙钛矿材料的太阳能电池是一种新型高效的光电器件,与传统的第一代硅基太阳能电池和第二代砷化掾太阳能电池相比,钙钛矿太阳能电池具有高效率、低成本、柔性、易制备等优点［4-"］o2009年，日本Kojima等［12］将MAPbI3和MAPbBr3应用于染料敏化太阳能电池，其光电转化效率为3.8%,打开了钙钛矿太阳能电池研究的大门。
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中间相辅助制备碳电极全无机混合卤素钙钛矿太阳电池
研究
碳电极是太阳能电池中的一个重要组成部分。它主要用于在太阳能电
池中将光能转化为电能。然而，传统的碳电极通常是有机物质，存在着稳
定性差、易挥发、易氧化等问题。为了克服这些问题，近年来，研究人员
开始探索利用全无机材料制备碳电极。
在碳电极制备过程中，添加辅助材料可以改善碳电极的结构和性能。
辅助材料可以在碳电极的制备过程中扮演模板的角色，帮助调控碳材料的
形貌和尺寸。此外，辅助材料还可以提供导电路径和增加电极的机械稳定
性。因此，选择合适的辅助材料对于制备高性能碳电极非常重要。
除了使用辅助材料，全无机混合卤素钙钛矿也被用于制备太阳能电池。
全无机混合卤素钙钛矿是一种新型的光伏材料，具有光吸收能力强、载流
子迁移率高、稳定性好等优点。这些特性使得全无机混合卤素钙钛矿成为
理想的太阳能电池材料。
在制备全无机混合卤素钙钛矿碳电极时，一种常用的方法是采用溶胶
凝胶过程。溶胶凝胶过程通过溶胶和凝胶催化剂相互作用，形成均匀分散
的原料浆料，并在高温下进行热处理，形成均匀的碳电极材料。通过调控
溶胶凝胶过程中的参数，可以控制碳电极的形貌和尺寸，进而影响太阳能
电池的性能。
此外，还有其他一些方法可以用于制备全无机混合卤素钙钛矿碳电极。
例如，溶液旋转镀膜法可以通过旋涂钙钛矿材料溶液并热处理形成均匀的
碳电极。还可以使用溶胶喷雾法、离子溶胶凝胶法、蒸发法等方法制备全
无机混合卤素钙钛矿碳电极。这些方法各有优缺点，适用于不同的实际应
用情况。
总之，全无机混合卤素钙钛矿碳电极是一种非常有潜力的太阳能电池
材料。通过选择合适的辅助材料和优化制备方法，可以获得高性能的全无
机混合卤素钙钛矿碳电极。未来，进一步的研究工作可以集中在提高碳电
极的稳定性和效率，推动太阳能电池的实际应用。