钙钛矿太阳能电池光电转换效率研究进展

*冯宇昂

(河南省郑州市第一中学 河南 450000)

钙钛矿太阳能电池光电转换效率研究进展

*冯宇昂

(河南省郑州市第一中学 河南 450000)

近年来能源短缺、环境污染成为了现代社会的突出问题,而大力发展和推广清洁能源技术是解决这两大难题的有效手段,怀着缓解能源问题的热忱,我们在此方面进行了一些调查.本文简要回顾了钙钛矿太阳能电池的发展历史,并主要介绍了降低载流子复合几率、改善制备工艺、应用新材料等提高钙钛矿太阳能电池效率的方法,最后总结和展望了钙钛矿太阳能电池仍待改进的一些问题和发展方向.

钙钛矿;太阳能电池;光电转换效率

钙钛矿,也称有机铅卤钙钛矿,一般用ABX3表示,其中A代表有机原子基团,B代表Pb元素,X则指卤素原子.钙钛矿的晶胞有两种表示形式,一是将A看作晶胞中心,则B处于立方体的顶点,X在棱心位置(如图一),二是将B看作晶胞中心,则A处于立方体的顶点,X在面心位置(如图二).总之,一个晶胞中总含有一个A、一个B和三个X.

图1

图2

本文从钙钛矿电池光电转换效率最新的研究成果着眼,介绍在降低载流子复合几率、改进传统溶液法制备工艺、新的电池材料三个方面的最新进展.

1.降低载流子复合几率

钙钛矿太阳能电池的原理是光敏材料吸收光能,产生载流子(电子和空穴),载流子定向移动产生电流,从而对外做功.因此,要提高电池效率,就要增加同等光照条件下载流子的数量,降低其复合几率是重要手段之一.

shen等发现,提高钙钛矿太阳能电池效率的关键在于对载流子的收集而不是分离.他们的研究表明,使用TiO2而不是Y2O3作为ETM,使用spiro作为HTM,限制TiO2尺度为30nm而不是18nm,实施界面调控等措施均有助于减少载流子在界面处的复合,从而提高钙钛矿太阳能电池的效率.另外,实现材料表面钝化可以有效降低载流子复合几率.

2.改进制备工艺

溶液旋涂法、高温旋涂法和气相沉积法,是传统的制备钙钛矿薄膜材料的方法,其中以溶液旋涂法最为常见.而溶液旋涂法又分为两种:一步法和两步法.一步法是指直接将PbX2和CH3NH3X溶液混合并直接涂覆在TiO2上,干燥后生成CH3NH3PbX3,这种方法的优点是简单易行,成本低廉,但可控性较差,制备的薄膜厚度不均,缺陷较大.两步法是将CH3NH3I溶液和PbI2溶液先后分别涂覆到TiO2上,并可以通过控制CH3NH3I溶液的浓度来控制CH3NH3PbI3晶体的生长,调整晶体尺寸,从而优化转换效率.

3.新材料

(1)改进光敏材料

顾名思义,钙钛矿太阳能电池是将钙钛矿结构材料作为光敏吸收层的.改进光敏材料,可以从替换A、B、X这三个原子或原子团来着手.

对卤素原子做出调整:2009年,Kojima A等人在首次制作钙钛矿太阳能电池时运用的光敏材料是CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbI3,当时的电池效率仅有3.8%,后来Christian等人在CH3NH3PbI3中掺杂了一定量的Cl元素,并测得CH3NH3PbI(3-x)Clx的载流子迁移速率为11.6cm2/(V•s),明显高于CH3NH3PbI3的8cm2/(V•s)(载流子迁移速率越高,电池的效率也就越高),故混合卤素钙钛矿具有更高的载流子迁移速率.

对有机原子团做出调整:随着铅卤钙钛矿太阳能电池的发展,多个课题组都报道了使用甲脒基(FA)取代甲胺基(MA)得到了一种新的钙钛矿材料:FAPbI3.

对Pb原子做出调整:目前大部分实验表明Pb元素是使电池效率最高的元素,当然,铅会污染环境,用其他元素代替铅并保证电池效率也是未来的发展方向.

(2)改进电子传输材料

电子传输材料是指能接受带负电荷的电子载流子并传输电子载流子的材料,具有较高电子亲和能的半导体材料(即n型半导体)通常被用作电子传输材料.由于历史原因,钙钛矿太阳能电池中使用和研究最多的电子传输层材料为在染料敏化太阳能电池中常见的TiO2.TiO2与钙钛矿材料能带匹配,钙钛矿中产生的光生电子能够注入TiO2的导带,使光生电子空穴对分离,提高电荷分离及传输效率.但是TiO2需要400～500度高温烧结,制备困难,因此人们想到将其与导电性能极佳的石墨烯材料复合,电子传输速率得到了提升.

(3)改进空穴传输材料

目前应用最为广泛的空穴传输材料是Spiro-OMeTAD,它性能优越但价格极昂贵(约为黄金十倍!)且其中含碳碳双键,光照易使其分解,于是人们希望用容易制备、价格低廉而且稳定性高的无机材料替代之,Ivan Mora-Sero等采用无机p型半导体CuSCN作为空穴传输层材料,获得了6.4%的光电转换效率.Shihe Yang等采用NiO纳米颗粒作为空穴传输层,制备了反式平面异质结电池,效率达9.11%.

4.总结与展望

虽然钙钛矿太阳能电池前景光明,但其仍然存在很多亟待解决的问题.首先,大多数科学家都只是致力于用不同的方式得到效率提高的结果,而没有得出描述钙钛矿太阳能电池效率变化的理论模型.其次,钙钛矿太阳能电池在水蒸气和氧气环境下的高度不稳定性,以及材料中所存在的铅元素都对其推广应用带来了困难.第三,如何实现大面积低能耗制备钙钛矿材料,满足产业化需求仍是目前所面临的重要问题.基于此,通过改善钙钛矿层与其他传导层间的界面性能,降低载流子复合几率,寻找更高效稳定的电子/空穴传输材料,能提高电池转换效率,也可以改善电池的稳定性.

[1]T.Miyasaka*et al,Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells. J. Am.Chem. Soc. 2009,131,6050-6051.

[2]Q. Shen * et al, Charge transfer and recombination at the metal oxide/CH3NH3PbClI2/spiro-OMeTAD interfaces:uncovering the detailed mechanism behind high effciency solar cells. Phys. Chem. Chem.Phys.,2014,16,19984-19992.

[3]Hao-Wu Lin* et al,Effi cient and Uniform Planar-Type Perovskite Solar Cells by Simple Sequential Vacuum Deposition Adv. Mater. 2014, 26, 6647-6652

[4]Ivan Mora-Sero*et al.Recombinationstudyofcombinedha lides(Cl,Br,I)perovskite solarcells.J.Phys.Chem.Lett.,2014,5(10):1628-1635.

[5]Shihe Yang,et al.High-Performance Hole-Extraction Layer of Sol-Gel-Processed NiO Nanocrystals for Inverted Planar Perovskite Solar Cells.Angew.Chem.Int.Ed.,2014,53(46):12571.

冯宇昂,男,河南省郑州市第一中学;研究方向:材料.

Research Progress of Photoelectric Conversion Efficiency of Perovskite Solar Cells

Feng Yuang
(Zhengzhou No. 1 Middle School of Henan Province, Henan, 450000)

In recent years, energy shortage and environmental pollution have become the prominent problems in modern society. While vigorous development and promotion of clean energy technology is an effective means to solve these two problems. With enthusiasm for the mitigation of energy problems, we have conducted some investigations in this regard. In this paper, the development history of perovskite solar cells is briefly reviewed, and the methods to improve the efficiency of the perovskite solar cells such as reducing the carrier recombination probability, improving the preparation process, and applying new materials are introduced. Finally, some problems are summarized and the development directions of the perovskite solar cells are prospected.

perovskite;solar cell;photoelectric conversion efficiency

T

A