杂化钙钛矿太阳能电池稳定性的影响因素的研究

刘洋

（南京邮电大学材料科学与工程学院，江苏南京　210023）

杂化钙钛矿太阳能电池稳定性的影响因素的研究

刘洋

（南京邮电大学材料科学与工程学院，江苏南京210023）

随着我国经济的发展，自然能源被大量的消耗，环境的问题越来越受到人们的关注。近年来，人们将更多的注意力集中在了新型能源的开发。太阳能电池的应用为我国提供了大量的电能，解决了我国出现的能源危机，并且对环境没有污染。而杂化钙钛矿太阳能电池的稳定性却受到多方面因素的影响，这些因素将直接导致杂化钙钛矿太阳能电池的稳定性。本文笔者通过分析杂化钙钛矿太阳能电池的稳定性来对影响杂化钙钛矿太阳能电池稳定性的因素进行研究。

杂化钙钛矿太阳能电池稳定性因素研究

随着社会的迅速发展，我国对于能源的需求也与日俱增。而大量的自然能源的利用不仅使得能源出现了枯竭的现象，还在一定程度上对环境造成了大量的污染，影响了人类赖以生存的条件。因此，人们将工作的重点放在了寻求取之不尽用之不竭的新型能源上。而太阳能电池的利用能够直接将太阳能转换为电能。这种直接的转换既不会造成环境的污染，又能够为我国提供大量的电能。为了能够使太阳能电池有着更好的发展，我国就应该重视杂化钙钛矿太阳能电池的稳定性，从不同的角度来分析影响杂化钙钛矿太阳能电池稳定性的因素。

1　杂化钙钛矿太阳能电池的概述

1.1杂化钙钛矿太阳能电池的发展史

目前，世界上的太阳能电池的材料多种多样。在我国，人们常用的太阳能电池包含有硅太阳能电池、有机太阳能电池、无机太阳能电池等多种类型。在这些类型当中，硅太阳能电池可以将太阳能转换成百分之三十的电能，但是这种类型的电池的成本比较高，并且没有很大的发展空间。近年来，无机量子点材料由于具有较高的光学性能被应用于太阳能电池中，但是无机量子点材料却没有使太阳能电池有所优化。因此，科研人员研发了杂化钙钛矿太阳能电池。这种材料具有较好的吸收率和稳定性，能够从整体上提高太阳能电池的作用。

而杂化钙钛矿可以根据复合方式分为两种。一种复合方式是将无机材料嵌在有机材料中，而另一种复合方式则是将有机材料嵌在无机材料的框架中。但是研究证明采用第一种方式的杂化钙钛矿太阳能电池的光电转换的效率比较低。另外，研究人员将不同的纳米无机材料和常用的有机材料组成杂化钙钛矿，通过实验来提高杂化钙钛矿太阳能电池的性能。但是实验的结果并不是很理想。直到2012年，CH3NH3Pb I3的引用提高了杂化钙钛矿太阳能电池的光电转换率。

1.2杂化钙钛矿的研究进展

杂化钙钛矿太阳能电池的研究有着很大的提高。从2009年到2012年，杂化钙钛矿太阳能电池的转换效率提高了大概百分之十的效率。这使得研究人员将更多的注意力集中在杂化钙钛矿太阳能电池的效率上。在杂化钙钛矿太阳能电池的研究进展中，研究人员对于杂化钙钛矿太阳能电池的每一部分进行优化，研究能够提高杂化钙钛矿太阳能电池的稳定性的因素。在研究过程中，研究人员对于太阳能电池的结构和组成部分的优化为杂化钙钛矿太阳能电池的稳定性做出了巨大的贡献。

另外，杂化钙钛矿太阳能电池的制备技术和材料的改进也加强了杂化钙钛矿太阳能电池的稳定性。研究人员在杂化钙钛矿太阳能电池制备的基础上，通过对于环境条件、电子传输层、光吸收层和空穴传输层等的分析，研究了影响杂化钙钛矿太阳能电池的稳定性的因素，提高了杂化钙钛矿太阳能电池的性能，促进了杂化钙钛矿太阳能电池的光电转换率。

1.3杂化钙钛矿太阳能电池的结构和原理

杂化钙钛矿太阳能电池的结构主要包括有光阳极、电子传输层、光吸收层、空穴传输层和光阴极等五个部分。其中光阳极主要应用的透明导电玻璃包括有ITO和FTO，电子传输层的材料主要应用的是TiO2和ZnO。光吸收层主要包含的是杂化钙钛矿的材料。而光阴极主要的材质是一些比较贵重的金属。光吸收层的吸收光子的能量大于电子供体和电子电子受体的能隙时，电子就会形成一个激子。激子能够分离成自由电子和空穴，形成短路电流。

1.4杂化钙钛矿的晶体结构

杂化钙钛矿是由无机和有机材料通过交替的堆积来形成的。无机层中加入有机层能够减小有机层对无机层的屏蔽作用。这样能够提高杂化钙钛矿的激子结合能，这就是所谓的介电约束效应。杂化钙钛矿在介电约束效应和量子约束效应下有着非常强大的光电性能。无机材料和有机材料的调控可以通过这些光电性能来完成。因此，杂化钙钛矿的这些光电性能使得杂化钙钛矿具有很大的发展前景，提高了杂化钙钛矿太阳能电池在商业中的应用。

2　杂化钙钛矿的稳定性

2.1杂化钙钛矿的热稳定性

由于杂化钙钛矿有着和CaTiO3一样的晶体结构。以CaTiO3为例，Ca为有机阳离子，而Ti为金属离子。Ti和O能够形成一个正八面体的结构，Ca分布于正八面体中。这种晶体结构使得杂化钙钛矿具有一定的稳定性。因此，温度也直接影响着杂化钙钛矿的稳定性。有机阳离子不同会直接影响杂化钙钛矿的热稳定性。太阳能电池的工作温度超过了六十摄氏度以上，因此，杂化钙钛矿的类型的选择将直接影响杂化钙钛矿的热稳定性。

2.2杂化钙钛矿的湿度稳定性

改变杂化钙钛矿中的有机阳离子能够改变杂化钙钛矿的热稳定性，而改变杂化钙钛矿中的卤素原子能够改变杂化钙钛矿的湿度。研究人员通过对杂化钙钛矿中的卤素原子的改变，使得杂化钙钛矿中有机和无机层的堆积更加的紧密。杂化钙钛矿的湿度稳定性也相对的发生了改变。因此，在不影响电池效率的情况下，杂化钙钛矿的有机和无机层的不同的组合能够有效的提高杂化钙钛矿的热稳定性和湿度稳定性。

3　影响杂化钙钛矿太阳能电池稳定性的因素

3.1环境条件的影响

3.1.1水氧等气氛条件

杂化钙钛矿在水氧环境下是不能够进行逆分解的。因此水氧环境将直接影响杂化钙钛矿太阳能电池的制备过程。在杂化钙钛矿的水溶液中，杂化钙钛矿在氧气的作用下生成了固体和水，使得杂化钙钛矿进行了分解。另外，杂化钙钛矿在水氧条件下是非常的敏感的。这将直接影响着杂化钙钛矿太阳能电池的效率。因此，杂化钙钛矿太阳能电池的制备需要在手套箱中来进行操作。然而，制备后的器件在空气中也会造成杂化钙钛矿的分解。

3.1.2受热或者变温条件的影响

温度也能够影响杂化钙钛矿太阳能电池的热稳定性。杂化钙钛矿太阳能的热稳定性不仅值得是受热分解下的稳定性，还指的是杂化钙钛矿的晶体结构的转变等。如果杂化钙钛矿太阳能电池中含有空穴传输层，那么温度将直接影响杂化钙钛矿太阳能电池的化学稳定性。另外，杂化钙钛矿的晶体结构会随着温度的受热或者变温条件的影响而发生改变，并直接影响着杂化钙钛矿的稳定性。

3.1.3湿法制备条件的影响

杂化钙钛矿太阳能电池的最主要的特点是能够进行湿法制备。但是湿法制备在很多方面都能够影响到杂化钙钛矿太阳能电池的稳定性。湿法制备中的添加剂、溶剂和溶质等都会对杂化钙钛矿太阳能电池造成很大的影响。从总体上说，各种添加剂以及残留的溶剂能够直接分解杂化钙钛矿材料，降低了杂化钙钛矿太阳能电池的稳定性。

3.1.4紫外光照的影响

杂化钙钛矿太阳能电池中的氧化钛致密层使得紫外光照直接影响着杂化钙钛矿太阳能电池的稳定性。而杂化钙钛矿中的金属离子在受到紫外光照之后，提高了杂化钙钛矿的电子能力，使其具有较强的氧化性。这导致了杂化钙钛矿将得到大量的吸附物质中的电子。杂化钙钛矿在紫外光照的条件下被完全的分解，降低了杂化钙钛矿太阳能电池的稳定性。

3.2电子传输层

传统的杂化钙钛矿太阳能电池中的电子传输层能够促进对于光照的吸收，还能提高电子的传导作用。但是，紫外光照会对杂化钙钛矿太阳能电池有着直接的影响。杂化钙钛矿太阳能电池在紫外关照的影响下使的电子不容易扩散，无法进行自由移动，降低了杂化钙钛矿太阳能电池的使用效率。在实际的应用中，研究人员用纳米棒的电子传输层代替传统的电子传输层，较好的提高了电池的稳定性。如果杂化钙钛矿太阳能电池被放置在空气中很长一段时间，也不会降低杂化钙钛矿太阳能电池的效率。

3.3吸光材料

3.3.1吸光材料的种类

杂化钙钛矿中的吸光材料的不同也能够直接影响杂化钙钛矿太阳能电池的稳定性。杂化钙钛矿太阳能电池中最常用的吸光材料具有很强的电子传输能力，提高了杂化钙钛矿太阳能电池的效率。吸光材料能够在制备的过程中沉积在杂化钙钛矿的金属离子上，因此杂化钙钛矿太阳能电池的电流和电压会随着金属离子的增强而降低。另外，在吸光材料中加入一些氯元素能够增强杂化钙钛矿太阳能电池的光电性能。而如果改变杂化钙钛矿的无机结构能够改善杂化钙钛矿太阳能电池在湿度环境中的稳定性，提高杂化钙钛矿太阳能电池在湿度环境中的光电转换效率。

3.3.2吸光材料制备的技术

杂化钙钛矿太阳能电池中最主要的部分是吸光材料。吸光材料的膜层以及技术直接影响着杂化钙钛矿太阳能电池的光电转换率。吸光材料的技术主要包含有一步法、两步法、双源气相沉积法等。一步法的技术比较简单，但是覆盖率低，降低了杂化钙钛矿太阳能电池的光电转换率。两步法提高了杂化钙钛矿太阳能电池的结晶性能，提高了杂化钙钛矿太阳能电池的光电性能。而双源气相沉积法使得杂化钙钛矿太阳能电池的结晶的形态更加的规则，薄膜质量更加的精细。

4　空穴传输层

4.1引入空穴传输层

对于杂化钙钛矿太阳能电池的引入空穴传输层的厚度有着非常更高的要求。适当的对引入空穴传输层的厚度进行增加能够防止杂化钙钛矿太阳能电池中的电流的短路。因此，研究人员采用了渗透性较好的引入空穴传输材料来提高杂化钙钛矿太阳能电池的光电转换率。针对引入空穴传输材料的成本较高的问题，研究人员研发了一系列成本较低的小分子引入空穴传输层来降低杂化钙钛矿太阳能电池的原料成本。

4.2无空穴传输层

无空穴传输层的成本较低，工艺过程比较的简单。因此，杂化钙钛矿薄膜能够在吸收光能之后向金属离子扩散，产生的自由电子形成了外电流，实现了对电极的收集。吸收材料和无空穴传输层形成的结构抑制了金属和半导体间的接触，提高了杂化钙钛矿太阳能电池的光电性能，使得杂化钙钛矿太阳能电池的光电转换效率有着很大的改善。杂化钙钛矿太阳能电池的微观异质结构的引入使得杂化钙钛矿太阳能电池的制备比较复杂。

5　结语

综上所述，随着我国环保意识的提高，新型能源被大量应用到人们的生活和工作中。杂化钙钛矿太阳能电池的应用在保护环境的前提下为我国提供了大量的电能，解决了我国能源的危机。杂化钙钛矿太阳能电池的稳定性主要体现在热稳定性和湿度稳定性两个方面。而杂化钙钛矿太阳能电池的稳定性主要受环境条件、电子传输层、吸光材料和空穴传输层的影响。其中环境条件中的水氧、受热或变温、湿法制备条件和紫外光照等都直接影响着杂化钙钛矿太阳能电池的稳定性。吸管材料的种类和制备技术都对杂化钙钛矿太阳能电池有着重要的作用。另外，空穴传输层中的引入空穴传输层和无空穴传输层也都能够影响到杂化钙钛矿太阳能电池的稳定性。这些因素直接影响着杂化钙钛矿太阳能电池的稳定性。因此，我国应从这些方面入手，从根本上提高杂化钙钛矿太阳能电池的稳定性。

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