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钙钛矿太阳能电池

邓林龙

厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院

2016年10月

目录

一、钙钛矿太阳电池介绍

1.钙钛矿简介

2.钙钛矿太阳能电池的发展历史

3.钙钛矿太阳能电池的工作原理

4.钙钛矿太阳能电池的结构和组成5.钙钛矿太阳能电池性能的表征

二、钙钛矿太阳能电池材料

1.衬底材料

2.电极材料

3.修饰层材料

4.钙钛矿吸光材料

三、钙钛矿太阳能电池的稳定性

四、钙钛矿太阳能电池的制备工艺五、钙钛矿太阳能电池的性能

钙钛矿太阳电池介绍

1.钙钛矿简介

钙钛矿(Perovskite)是以俄罗斯矿物学家Perovski的名字命名的，最初是指CaTiO?。典型的钙钛矿化合物的分子式是ABX?。A、B是指金属，X是非金属，它们的化学比是1:1:3。

钙钛矿太阳能电池的吸光材料是一种有机-无机杂化钙钛矿结构材料，其化学式为

ABX?(A:CH?NH?+(MA+)、CH(NH?)?+(FA+)、Cs+;B:Pb2+、Sn2+;X:I-、Br-

、Cl-),晶胞结构下图所示，是典型的钙钛矿(CaTiO?)晶体结构。在ABX?晶体中,BX?构成正八面体，BX?之间通过共用顶点X连接起来，构成三维骨架，A嵌入八面体空隙中使得晶体结构得以稳定。

Cs+MA+FA+B

Cs+MA+FA+

天然钙钛矿结构钙钛矿的晶体结构

天然钙钛矿结构

钙钛矿ABX?的结构特点

BX?八面体共顶点连接，组成三维网络，根据Pauling的配位多面体连接规则，此种结构比共棱、共面连接稳定。

共顶连接使BX?八面体网络之间的空隙比共棱、共面连接时要大,允许较大尺寸离子填入，即使产生大量晶体缺陷，或者各组成离子的尺寸与几何学要求有较大出入时，仍然能够保持结构稳定，并有利于缺陷的扩散迁移。

钙钛矿结构中的离子半径匹配应满足下面关系式：t=(RA+Rp)/[√2(Rx+Rp)]

式中，R为相应离子的半径，t为容忍因子。当t=1时，晶相达到稳定状态。t偏离1的程度与[BX?]偏离八面体结构的程度成正相关。

MASnl?FAPbl?FASnl?

MASnl?

MAPbBrFASnBr?Tolerance

MAPbBr

FASnBr?Tolerance

FAPbB

MASnBr?

0.900.850.95

0.90

0.85

MAPbl?MAPbCl?MASnCl?FAPbCl?FASnCl?

钙钛矿太阳能电池的优点

钙钛矿型太阳能电池(Perovskitesolarcells),是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池。与现有太阳能电池技术相比，钙钛矿材料及器件具有以下几方面的优点：

(1)综合性能优良的新型材料：这种钙钛矿材料能同时高效完成入射光的吸收、光生载流子的激发、输运、分离等多个过程。

(2)消光系数高且带隙宽度合适：能带宽度较佳，约为1.5eV;具有极高的消光系数，光吸收能力比其它有机染料高10倍以上，400nm厚的薄膜即可吸收紫外-近红外光谱范围内的所有光子；可以通过替位掺杂等手段,可以调节材料带隙，实现类量子点的功能，是开发高效低成本太阳能电池的理想材料。

(3)优良的双极性载流子输运性质：此类钙钛矿材料能高效传输电子和空穴，其电子/空穴输运长度大于1μm;载流子寿命远远长于其它太阳能电池。

(4)开路电压较高：钙钛矿太阳能电池目前的开路电压已达1.3V,接近于GaAs电池，远高于其它电池，说明在全日光照射下的能量损耗很低，转换效率还有大幅提高的空间。钙钛矿电池的最大优势是它在全光照下能产生很高的开路电压。

(5)结构简单：这种电池由透明电极、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、金属电极五部分构成，可做成平面结构，有利于规模生产。

(6)低成本温和条件制备：电池核心材料——钙钛矿材料可通过温和条件制备，如涂布法、气相沉积法以及混合工艺等，工艺简单、制造成本低、能耗低、环境友好。

(7)可制备高效柔性器件：可以采用辊-辊大面积制造工艺将电池制在塑料、织物等柔性基底上，作为可穿戴、移动式柔性电源。

钙钛矿太阳能电池的缺点

首先，目前实验室里制造的大部分电池是微小的，仅几厘米大。

很难生产较大的钙钛矿连续膜，导致制备大面积器件有困难。

其次，研究人员没有解决电池的耐久性问题。钙钛矿电池对水汽和氧气非常敏感，会与其发生化学反应进而破坏晶体结构，溶解盐状的钙