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钙钛矿太阳能电池综述课件
论文题目钙钛矿太阳电池综述学院:物理科学与技术学院姓名:李晓果学号 要:基于钙钛矿材料(CH3NH3PbI)制备的太阳能电池的效率由2009年的3.8%增长到了目前的20.2%,因为其较高的光吸收系数,较低的成本以及易于制备等优势引起了广泛的关注。钙钛矿材料不仅可以作为光吸收层,还可以作为电子传输层(ETM)和空穴传输层(HTM),由此可以制备不同结构的钙钛矿太阳电池:介孔结构、介观超结构、平面结构和有机结构等。除此之外,钙钛矿材料的制备方法的多样性也使其更具吸引力,目前已有一步溶液法、两步连续沉积法、双源共蒸发法和溶液—气相沉积法。本文主要介绍钙钛矿太阳电池的发展历程、工作原理、薄膜的制备方法以及各层的作用,最后对钙钛矿太阳电池面临的问题和发展前景进行介绍。关键词:钙钛矿材料;太阳电池;光吸收层钙钛矿太阳电池的发展历程随着人类社会的不断发展与进步,由工业发展带来的能源和环境问题日益明显,化石燃料(石油、煤炭、天然气等)的有限储量及其燃烧带来的全球变暖问题使人们不得不去寻找和开发环保且可再生的新型能源。太阳能来源丰富,取之不尽,用之不竭,而且太阳能绿色环保无污染,是未来有希望获得大规模应用的新能源之一,受到国际社会的广泛关注与研究。将太阳能转换为电能的重要器件之一就是太阳电池。2009年,日本人Kojim等首先将有机-无机杂化的钙钛矿材料应用到量子点敏化太阳电池中,制备出第一块钙钛矿太阳电池,并实现了3.8%的效率。但这种钙钛矿材料在液态电介质中很容易溶解,该电池仅仅存在了几分钟级宣告失败,随后,Park等人于2011年将CH3NH3PbI纳米晶粒改为2-3nm,效率达到了6.5%。由于仍然采用液态电解质,仅仅经过10min,电池效率就衰减了80%。为解决钙钛矿的稳定性问题,2012年Kim等人将一种固态空穴传输材料(spiro-OMeTAD)引入到钙钛矿太阳电池中,制备出第一块全固态钙钛矿太阳电池,电池效率达到了9.7%。即使未经封装,电池在经过500小时后,效率衰减很小。空穴传输层(HTM)的使用,初步解决了液态电解质钙钛矿太阳电池不稳定和封装困难的问题。随后Snaith等首次将Cl元素引入到钙钛矿中,并使用Al2O3代替TiO2,证明钙钛矿不仅可以作为光吸收层,还可以作为电子传输层(ETM),所得电池效率为10.9%。同样是在2012年,瑞士的Etgar等在CH3NH3PbI后直接沉淀Au电极,形成CH3NH3PbI/TiO2异质结,所得的电池效率为7.3%。这说明钙钛矿材料除了可以作为光吸收层和电子传输层,还可以作为空穴传输层。钙钛矿太阳电池自2013年开始迅猛发展,Gratzel等人首次使用两部沉积法制备钙钛矿薄膜,电池效率达到了15%,随后Snaith等人采用共蒸发的方法制备钙钛矿薄膜,形成一种全新的平面异质结电池,引起了全世界的关注。同样在2013年Yong等人采用溶液法和蒸发法相结合的方法制备钙钛矿薄膜,所得电池效率为12.1%。2014年初韩国KRICT研究所已经将钙钛矿电池的转换效率提高到17.9%,到5月份,Yong等人通过掺Y修饰的TiO2层,将电池转换效率提高到19.3%。现在KRICT研究所已经制备出转换效率达到20.2%的钙钛矿太阳电池,并已通过认证。2. 钙钛矿太阳电池的结构及原理2.1 钙钛矿太阳电池的结构如图1(a)所示的介孔结构的钙钛矿太阳电池为:FTO导电玻璃、TiO2致密层、TiO2介孔层、钙钛矿层、HTM层、金属电极。在此基础上,Snaith等把多孔支架层n型半导体TiO2换成绝缘材料Al2O3,形成如图1(b)所示的一种介观超结构的异质结型太阳电池更进一步地,去掉绝缘的支架层,如图3(c)所示,制备出具有类似于p-i-n结构平面型异质结电池,图1 钙钛矿太阳电池结构 (a)介孔结构 (b)介观超结构 (c)平面结构2.2钙钛矿太阳电池的工作原理在光照下,能量大于光吸收层禁带宽度的光子将被光吸收层中材料吸收,同时使该层中价带电子激发到导带中,并在价带中留下空穴;由于光吸收层导带能级高于电子传输层的导带能级时,光吸收层中导带电子会注入到电子传输层的导带中;电子进一步运输至阳极和外电路,而光吸收层的价带能级低于空穴传输层的价带能级时,光吸收层中的空穴注入到空穴传输层;空穴运输到阴极和外电路构成完整的回路,其中,致密层的主要作用是收集来自钙钛矿吸收层注入的电子,从而导致钙钛矿吸收层电子-空穴对的电荷分离,此外致密层还起到阻挡作用,防止钙钛矿与FTO的接触从而造成电子与FTO的复合;2.3钙钛矿吸收层钙钛矿作为吸收层,在电池中起着至关重要的作用。以CH3NH3PbI为例,钙钛矿薄膜作为直接带隙半导体,禁带宽度为1.55eV电导率为10-3S/m,载流子迁移率为5
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