钙钛矿太阳能电池-1浅析.ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * * 钙钛矿太阳能电池应用研究——材料科学导论 Application of Perovskite Solar Cells 全华锋，路顺茂，王晨宇，薛伟，唐川 低维材料及其应用教育部重点实验室，湘潭大学，湖南，411105 汇报内容 器件结构及原理 2 吸光材料的成膜技术及制备 3 Click to add Title 4 问题及前景展望 4 1 背景介绍及发展史 研究背景 1 随着重工业的日益发达，煤炭石油等不可再生资源频频告急，能源问题日益成为国际社会经济发展的瓶颈，加之对不可再生资源的不当使用，环境问题愈发严重，人类生存受到极大威胁。 太阳能等环保可再生资源日益受到人类关注，因此，太阳能电池也走进人们的生活。 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。在物理学上称为太阳能光伏简称光伏。 [1]邓林龙, 谢素原, 黄荣彬,等. 钙钛矿太阳能电池材料和器件的研究进展[J]. 厦门大学学报：自然科学版, 2015, 54(05). [2]梁栋, 贾瑞龙, 简选,等. 钙钛矿太阳能电池的研究进展[J]. 现代化工, 2015. 研究背景 2 发展历史 传统的非晶硅太阳能电池，经过多年的发展，其光电转换效率提升缓慢．相比之下，近年来出现的新型太阳能电池如有机太阳能电池（OPV）、钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池（DSSC）和量子点太阳能电池(quantum dot solar cells)，发展较快，光电转换效率提升明显。 时间 团队 制备工艺 能量转换率(%) 2009 Miyasaka（宫坂） 以钙钛矿型有机/无机杂化材料代替有机染料分子作为吸光材料 3.8 2012 N.G.Park 引入空穴传输层 9.7 2013 M.Grtzel 两步溶液法 15.0 2013 Yang 气相辅助溶液法 19.3 2014 KRICT 20.1 图1 各类太阳能电池光电转换率折线图[1] 图2 钙钛矿太阳能电池发展历程表[2] [1]邓林龙, 谢素原, 黄荣彬,等. 钙钛矿太阳能电池材料和器件的研究进展[J]. 厦门大学学报：自然科学版, 2015, 54(05). 3 在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。 光电理论 Εk =hν－Wo 如果入射光子的能量hv大于逸出功Wo（指从原子键结中移出一个电子所需的最小能量），那么有些光电子在脱离金属表面后还有剩余的能量Ek（表示动能最大的光电子所具有的动能），也就是说有些光电子具有一定的动能。因为不同的电子脱离某种金属所需的功不一样，所以它们就吸收了光子的能量并从这种金属逸出之后剩余的动能也不一样。 爱因斯坦光电效应方程 4 汇报内容 器件结构及原理 2 吸光材料的成膜技术制备 3 Click to add Title 4 问题及前景展望 4 1 背景介绍及发展史 器件结构及原理 钙钛矿晶体结构(ABX3) 图2 钙钛矿晶体结构示意图 图3 CH3NH3PbI晶体结构示意图 A:CH3NH3、CH3CH2NH3+、NH2CH=NH2+等 B: Pb+、Nb+、Ti4+、Fe3+等 X: Cl–、Br–、I–、O2–等 在ABX3晶体中，BX6构成正八面体，BX6之间通过共用顶点X连接，构成三维骨架，A嵌入八面体间隙中使晶体结构得以稳定。因此，该光活性吸收材料呈现出一定的铁电性、非线性光学性和电光性等。 CH3NH3PbI低温态为正交相，高于162K时，为四方相；高于330K时，为立方相。高温立方相晶体结构具有最大的电子传导特性。 5 器件结构及原理 钙钛矿太阳能电池器件结构及制备 图4 钙钛矿太阳能电池结构示意图及SEM照片 由掺杂氟SnO2 （fluorine-tin-oxide, FTO)导电玻璃、电子传输层（ETM）、钙钛矿吸收层（如CH3NH3PbI3、CH3NH3PbI2Cl、CH3NH3PbBr3等）、空穴传输层（HTM）和金属对电极组成。 电子传输层（ETM）多为ZnO、TiO2等，空穴传输层（HTM）多为Spiro-OMeTad、FTAA、H3MT、PEDOT：PASS等固态介质材料。 6 器件结构及原理 钙钛矿太阳能电池器件结构及制备 旋涂多孔ETM薄膜 图5 钙钛矿太阳能电池界面，介孔结构（左）；平面异质结构（右） 电子传输层（ETM）多为ZnO、TiO2等，500~5