新型太阳能电池的研究简述

张佳维

(青岛西海岸新区第一高级中学，山东 青岛 266555)

能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质保障，随着社会经济的发展进步，人们逐渐重视对清洁能源的开发和有效利用，从而应对当前能源紧张的现状，满足可持续发展战略对于能源的需求。太阳能电池又称光伏电池，直接利用太阳能的一种简便的方式，其利用一些对光有吸收作用的材料收集光能，再通过静电处理过程，以对光较为敏感的材料为介质，使得光能与电子材料有效接触，实现静电条件下的电池作用，将太阳能转化为电能。

1 染料敏化太阳能电池(DSSC)

DSSC源于人类对植物光合作用的模仿，其利用一些光敏材料(起到植物中叶绿素的功能)优异的吸光性能将太阳能(光能)转化为电能。由于原料来源广泛，成本低，生产工艺简单，适合大规模的生产，受到越来越多的关注。

1.1 电池构造

典型的DSSC主要由5个主要部分组成，分别是导电玻璃(镀有透明导电膜)、多孔半导体薄膜(纳米TiO2)、染料敏化剂、电解质和对电极[1-2]。导电玻璃和多孔半导体薄膜为光阳极，是吸附染料分子的载体，其性能和结构决定了对染料的吸附量。染料敏化剂在电池中扮演着“叶绿素”的作用，是染料敏化太阳能电池中的关键部分，主要吸收可见光以及近红外光区域的太阳光，可分为金属复合敏化剂、金属有机敏化剂和天然敏化剂3种。电解液的主要功能是再生染料，承担着输运电荷的作用，目前，运用最为广泛的则是I-/I3-碘电解液。对电极的作用是收集产生的电子，以及将电解质(液体、胶体、固体)中的电子受体还原再生，铂电极是目前效率最高的对电极，碳材料因其价格低廉且资源丰富近年来成为研究热点。

1.2 工作原理

DSSC的工作原理主要包括光的吸收和电子收集两个过程，分别由敏化剂(单层染料分子，吸附在纳米晶的薄膜表面上)和电池基底(TiO2纳米晶烧结在一起形成的介孔氧化物半导体层)来完成。DSSC工作时，染料分子电子吸收太阳光(可见光区域和近红外光区域)后，电子从基态跃迁到激发态，激发态极不稳定，电子被快速的注入较低能级的导带中。电子进入导带后，以扩散或者漂移运动产生的形式形成宏观定向运动，经外电路做功产生工作电流流到对电极中。与此同时，在对电极上发生氧化还原再生过程，即光生电子将电解质溶液中的I3-还原成I-，随后被还原的I-与氧化态染料发生氧化还原反应，染料分子被还原成基态，I-被氧化成I3-，整个电路完成光电转换的循环[3-5]。目前，DSSC的光电转换效率已超过12%，并且其具有受环境温度及光入射角度影响小，可弱电发光等其他种类太阳能电池无法比拟的优点。DSSC已发展到向产业化过渡的阶段。

2 钙钛矿太阳能电池

钙钛矿材料最初是指一种稀有矿石CaTiO3，其具有ABX3结构，其中A为有机阳离子，B为金属离子，X为卤素基团。自1926年其晶体结构被基本明确以来，应用于多个领域。2009年，钙钛矿材料首次用作太阳能电池的吸光材料，获得了3.8%的光电转换效率[6]。随后钙钛矿太阳能电池异军突起迅速成为国内外研究热点，短短几年内，能量转换效率由3.8%飙升到20.1%，被《Science》评选为2013年十大科学突破之一。

2.1 电池构造及工作原理

广义上说的钙钛矿型太阳能电池属于染料敏化太阳能电池(DSSC)的一种，本质上是一种固态染料敏化太阳能，是一种以钙钛矿材料(通常含Pb)作为吸光材料，通过光吸收、电子-空穴分离和电子运输实现光到电转化的第三代太阳能电池。

典型的钙钛矿太阳能电池由导电玻璃(光阳极)、n型半导体材料致密层(电子传输层)、钙钛矿材料吸收层(光吸收层)、p型半导体材料层(空穴传输层)、金属对电极(光阴极)五部分组成，其光伏性能和长期稳定性取决于致密层、钙钛矿吸收层、p型半导体材料层的组成、微结构和性质。钙钛矿吸收层性能好坏决定了钙钛矿太阳电池的整体性能，起到结构导向和传输电子到外电路的作用，其捕获太阳光产生的电子-空穴对，并将其高效传输至n型半导体材料致密层(电子传输层)和p型半导体材料层(空穴传输层)；n型半导体材料致密层收集钙钛矿吸收层注入的电子，从而使钙钛矿吸收层电子-空穴对的电荷分离；p型半导体材料层则收集、传输钙钛矿吸收层注入的空穴，并与n型半导体材料致密层的共同作用下，使得电子-空穴对的电荷分离[7-8]。

钙钛矿太阳电池的工作原理为，在光的作用下，钙钛矿化合物材料AMX3(卤铅铵类)吸收光子产生电子-空穴对，电子-空穴对在钙钛矿材料与电子传输层和空穴传输层交界处选择性分离，电子注入电子传输层，空穴传输至空穴传输层，电子与空穴的移动产生电流[9]。

2.2 性能和存在问题

钙钛矿太阳能电池被誉为“光伏领域的新希望”，具有卓越的光伏特性，良好的吸光性和电荷传输速率使其具有巨大的开发潜力，钙钛矿太阳能电池具有非常稳定的光伏性能，具有较高的量子效率、短路电流密度和开路电压。由于构造简洁、制造成本低，光电转换性能优异、效率高，钙钛矿太阳电池有望成为全固态的新型太阳电池，是目前现有商业太阳电池最有潜力的竞争者。

虽然钙钛矿太阳能电池的研究取得了突出的进步，但是仍存在一些问题[10-11]：(1)很难制备大面积的钙钛矿太阳能电池，阻碍其市场应用；(2)对水蒸汽和氧气十分敏感，会与其发生化学反应，晶体结构被破坏，导致电池性能的衰减，造成其稳定性较差；(3)制备钙钛矿太阳能电池所用的钙钛矿材料通常为CH3NH3PbI3，重金属Pb易对环境造成污染；(4)现有的测试技术不能很好的解决能量转换效率测试时的回滞现象；(5)空穴传输层材料造价昂贵。

随着化石能源的日益枯竭以及其相伴而生的环境问题的日益突出，人类迫切需要开发清洁且可再生的能源。太阳能因不受地域限制，成为众多能源技术中最有应用前景的方式之一，近十年来，研究人员对太阳能电池的研究不断取得突破，这将有助于解决人类对能源的需求问题。