钙钛矿简述材料.ppt

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钙钛矿太阳能电池 戚明月 2016年1月 1.太阳能电池的分类 1.1晶体硅太阳能电池 1.1.1单晶硅太阳能电池 (转化率最高,但成本高、工艺繁锁) 1.1.2多晶硅太阳能电池 (成本低,但缺陷、杂质影响性能) 1.1.3非晶硅太阳能电池 (吸收率高、成本低,但稳定性、转化率不高) 1.2化合物薄膜太阳能电池 多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐,碲化镉和铜铟镓硒。薄膜成本较硅基电池低,但由于镉有剧毒,会对环境造成严重的污染,稀有金属硒成本高。 a-Si、CdTe and CIGS 薄膜效率不高源于复合电流大,开路电压低。 1.3聚合物太阳能电池 三明治结构:正极TCO导电玻璃,负极金属薄片,夹心聚合物光活性层。有机聚合物来源广、制备易、质量小、柔性好,但光转换效率低。 1.太阳能电池的分类 1.4光敏化太阳能电池 (钙钛矿太阳能电池的兴起得益于染料敏化太阳能电池技术的发展) 1.4.1染料敏化太阳能电池DSSC 多孔性TiO2薄膜吸附单层吸光染料分子,如钌金属衍生物。(制备易,污染低,且不需要大型无尘设备,但染料成本高,不稳定等) 1.4.2量子点敏化太阳能电池QDSSC 采用窄带隙的无机半导体材料代替染料作为敏化剂,若将这些材料控制在量子效应范围内,则成为量子点敏化剂。使用量子点作为敏化剂的太阳能电池称为量子点敏化太阳能电池。 其具有以下4个量子效应,可以增强光电转换效率。 1.太阳能电池的分类 2.量子点敏化太阳能电池的优势(选看) 原理是同样适用于钙钛矿 2.1量子限制效应: 当半导体体材料构成的原子数极大时,电子能级呈现为连续带状,实际上是由无数能级间隔极小的电子能级所构成。当粒子尺寸下降时,原子数大幅度减少使得电子能级间隔变大,连续状的能带逐渐分裂。在量子尺度的空间中,由于电子被限制在狭小的范围内,平均自由程缩短,电子容易变成激子。 粒径越小,激子浓度越高,激子的吸收与发光效应将会更加明显,即量子限制效应。 控制钙钛矿的制备,观察形貌 2.1碰撞离化效应: 又称多激子激发效应,指在一个半导体材料中,当外界提供大于2个能带的能量时,被激发的电子会以热电子的形式存在,当此热电子由高能级激发态回到低能级激发态时,所释放的能量可将另一个电子由价带激发到导带,此称为碰撞离化效应。(可以增加光电流。) 2.1俄歇复合效应: 指一个热电子与空穴因复合所释放的能量,可趋使一个热电子向更高的能级跃迁,由此延长导带中热电子的寿命。 当半导体达到量子尺寸时,连续的导带逐渐分裂成许多细小的能级,使得热电子冷却速度变慢,所以碰撞离化效应和俄歇复合效应能有效发挥。 2.量子点敏化太阳能电池的优势 2.1.4小带效应: 半导体材料在量子化后会产生能带分裂现象,在各量子点之间会产生许多细小而连续的能级,称为小带。这种能级结构可以降低热电子的冷却速率,且为热电子提供许多良好的传导和收集路径,使热电子能在较高能级处向外传出,因此可以得到较高的光电压。 2.量子点敏化太阳能电池的优势 3钙钛矿太阳能结构及其机理 3.1钙钛矿结构及其特点。 钙钛矿(perovskite) 材料是指具有与CaTiO3相同晶体结构的一类有机-无机杂化材料,属于半导体。其化学通式为AMX3, 其中A一般为有机阳离子CH3NH3+及HN=CH(NH3)+ 等, M为二价金属离子Pb2+或Sn2+等, X为Cl, Br或I等卤素离子。 钙钛矿太阳能电池目前所用的钙钛矿材料通常为CH3NH3PbI3,在室温下是扭曲的三维结构。通过更换或部分引入不同大小的离子, 进而获得具有更稳定晶体结构的钙钛矿材料, 其对于环境的稳定性也会因此受到影响. eg.HN=CH(NH3)PbI3的稳定性优于CH3NH3PbI3. 3.2钙钛矿太阳能电池的制备 钙钛矿太阳能电池的制备工艺大致如下: 覆盖透明导电玻璃FTO(Fluorine-doped tin oxide)层的衬底作阳极,在其上旋涂一层TiO2 ,然后500~550℃退火得到多孔TiO2 薄膜;接着用旋涂法或者气相沉积法沉积一层厚度约300 nm 的CH3NH3PbIxCl3-x 钙钛矿;然后再用旋涂法沉积一层Spiro-OMeTAD 作为空穴传输层;最后用热蒸发法沉积一层银或者金作为阴极。 钙钛矿太阳能电池结构见右图。其中空穴传输层Spiro-OMeTAD 和下方的多孔TiO2/钙钛矿是相互浸润的,其厚度小于500 nm。 各层的制备、形貌结构和厚度等都会直接影响钙钛矿太阳能电池的光伏性能。 3.3钙钛矿太阳能电池的发光机理 钙钛矿太阳能电池本质上是一种

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