高效钙钛矿太阳能电池的制备与研究.ppt

1 Preparation and Research of High-Performance Perovskite Solar Cells 高效钙钛矿太阳能电池的制备与研究 2 主要内容 3 染料敏化太阳能电池；聚合物太阳能电池；钙钛矿太阳能电池 第三代： 有机薄膜太阳能电池 第一代：硅太阳能电池 第二代： 多元化合物太阳能电池 CIGS, CdTe…… 原材料要求高 元素资源短缺 生产工艺复杂 生产过程耗能 1. 研究背景 4 图1.1 几种太阳能电池PCE提升情况 1.1 钙钛矿太阳能电池效率提升情况 电子元件与材料, 2014, 33:7-11. 效率提升速度惊人 消光系数高 扩散距离长 载流子寿命长 制作成本低 吸收光＜800 nm，高吸收系数，几百纳米的薄膜就可以充分吸收整个可见光波段的太阳光。 MAPbX3多晶膜中，载流子迁移距离可达1 µm，在单晶中则可超过10 µm。 MAPbX3单晶中由于低的缺陷密度，载流子寿命长达1 µs。 简单的液相反应和旋涂法制得，成本低廉制作简单。 1. 研究背景 5 1.光电阳极 2. 电子传输层 3. 吸光层 4. 空穴传输层 5. 对电极 透明导电的氧化物 宽带隙氧化物 钙钛矿材料 P型化合物 导电金属 FTO或ITO TiO2, SnO2, ZnO AMX3 spiro-OMeTAD Ag, Au 组成 A：有机阳离子，如：CH3NH3+或HC=(NH2)2+ M：金属阳离子，常见的有Pb2+、Sn2+等 X：卤族元素，（Cl、Br、I） Crystengcomm, 2010, 12: 2646-2662. 图1.2 钙钛矿太阳能电池结构图与立方钙钛矿晶胞模型 1. 研究背景 6 空穴传输层：Spiro-MeOTAD/PEDOT 透明光阳极：FTO/ITO 金属电极：Al/Ag/Au Ag电极：易与钙钛矿材料中的卤素反应 Al电极：易被空气氧化 Au电极：导电性好，不与卤素反应，不易氧化，但成本高 电子传输层：TiO2——SnS2 钙钛矿层：MAPbI3 图2.1 钙钛矿太阳能电池结构示意图 2. 选题依据和创新点 通过采用薄金电极成功制备出双透光太阳能电池，增加了对环境光的利用，并能降低器件制造成本。 采用水热法在低温条件下合成SnS2纳米片作电子传输层，降低了实验要求，并为其他可以低温合成的过渡金属硫化物作为电子传输层开辟新的机会。 2. 选题依据和创新点 3.1 双透光钙钛矿太阳能电池的制备 8 3.1.1 双透光 钙钛矿太阳能电池制备 9 图3.1 钙钛矿太阳能电池的制备流程 1. FTO导电层的刻蚀 2. TiO2致密层/多孔层的制备 3. 钙钛矿层的制备 4. 空穴传输层的制备 5. 蒸镀超薄Au电极 电池截面示意图 3.1.2 双透光太阳能电池的结构图 10 图3.2（a）双透光钙钛矿太阳能电池示意图（b）电池截面电镜图 11 3.1.3 薄金电极的优化选择 图3.3（a）不同厚度金电极透光率（b）不同厚度金电极方块电阻（金侧） （c）不同厚度金电极的电池I-V曲线（d）金电极的平面电镜（插图为截面 电镜） √ 可以看出，Au形成了许多分离的金属岛，但是相互分离得Au金属岛不一定表明Au电极品质不好，相反，金属岛之间的裂纹能够允许更多的光透过Au层照射到下面的钙钛矿吸光层，这也是超薄Au电极可以透光的原因。 3.1.4 电池外量子效率测试 12 图3.4（a）电池单面照射I-V曲线（b）电池单面照射EQE曲线 从FTO一侧受光时，电池效率达到10.2%，从背面照光时，电池效率为7.7%。外量子效率测试得到的积分电流分别为17.5 mA/cm2 和14 mA/cm2 与I-V曲线测试结果一致。 3.1.5 反光强度对电池效率的影响 13 图3.5（a）不同反光强度对电池效率的影响 （b）不同反光强度对电池的四个重要参数的影响。 反射光强 模拟实例 30% 路面 60% 冰面 90% 雪地 图3.6 双透光钙钛矿太阳能电池在不同反射条件对电池性能的影响 3.1.6 电池放置角度对效率的影响 通过调整钙钛矿太阳能电池放置的角度，放置角度主要影响电池的短路电流，在角度从0°- 45°变化时，电池效率逐渐增加，45°- 90°变化时，电池效率迅速减小，在45°放置时效率达到最大。 14 图3.7（a）电池放置示意图（b）不同放置条件下电池的I-V曲线 Α [°] Voc [V