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钙钛矿太阳电池综述

孙文

〔中南大学冶金与环境学院0507120407〕

摘要：利用有机-无机杂化钙钛矿材料制备的太阳能电池具有能量转换效率高和本钱低的优点，近年来开展极为迅速，获得了学术界的高度关注。首先总结了钙钛矿材料的光电特性和然后介绍了钙钛矿太阳能电池的结构及其研究进展，最后指出了目前电池开展中亟需解决的问题以及进一步提高器件效率的途径。

关键词：钙钛矿；晶体结构；电池结构；综述

Overviewofperovskitesolarcell

SunWen

(SchoolofMetallurgicalandEnvironment,CentralSouthUniversity,0507120407)

AbstractSolarcellspreparedusingorganic-inorganichybridperovskitematerialsexhibitadvantagesofhighconversionefficiencyandlowcost,whichshowextremelyrapiddevelopmentintherecentyearsandgaingreatconcernfromacademe.Aftertheoptoelectricpropertiesofperovskitematerialsaresummarized,structuresoftheperovskitesolarcellsarethenpresented,andalsotherecentresearchprogress.Finally,theurgentproblemsneedtoberesolvedinthedevelopmentprocessandapproachestofurtherimprovethedeviceefficiencyarepointedout.

Keywordsperovskite；crystalstructure；cellstructure；overview

前言

近年来，环境污染和能源短缺问题严重影响了社会与个人的开展。开发更清

洁的可再生能源是今后开展的方向。太阳能作为一种清洁的可再生能源，越来越

受到大家的关注。太阳能电池是一种利用光生伏特效应把光能转换成电能的器件。

MIT和斯坦福大学的研究人员试制出了由单晶硅太阳能电池和钙钛矿型太阳能电池层叠而成的串联结构的太阳能电池。虽然转换效率还不够高，只有13.7％，但双方制定了转换效率到达29％的目标，最终还有可能超过35％。

近几年，钙钛矿型太阳能电池的性能显著提高，2014年有报告称转换效率到达了20.1％。由于材料费低，制造工艺也简单，因此将来有可能给太阳能电池市场带来巨大影响。?

2.钙钛矿太阳电池材料

钙钛矿是指CaTiO3，属于立方晶系的氧化物。1839年，它在俄罗斯乌拉尔山脉被矿物学家LevPerovski发现，后来人们他姓为其命名，所以现在钙钛矿英文为Perovski。钙钛矿结构通式为ABO3，A位一般为碱土或稀土离子，rA0.090nm。B位一般为过渡金属离子rB0.051nm[1]。

在太阳电池中，典型的钙钛矿结构化合物为AMX3，A一般为甲氨基CH3NH3,CH3CH2NH3+和NH2CH=NH2+也有报道；B多为金属Pb原子，金属Sn也有少量报道；X为Cl、Br、I等卤素氮原子和混合原子。其晶体结构如图1所示。Pb2+占据八面体中心位置，占据八面体顶角位置I—，CH3NH3+占据面心立方晶格顶角位置。这种共顶点结构较共棱、共面结构空隙更大，允许较大尺寸离子填入，即使产生大量晶体缺陷，或者组成离子尺寸与几何结构要求有较大出入是仍能保持结构稳定，且有利于缺陷的扩散迁移[2]。

目前在高效钙钛矿型太阳电池中，最常见的钙钛矿材料是碘化铅甲胺

图1：典型的钙钛矿晶体结构[3]

〔CH3NH3PbI3),它是直接带隙半导体材料，带隙约为1.55eV，对能量大于禁带宽度的光子表现出强烈的光吸收。其吸收系数高，约为105，厚度为300nm左右的材料便能吸收几乎所有可见光。由于低的复合速率，高的载流子迁移率〔50cm2/(V.s))，电子和空穴在CH3NH3PbI3的扩散长度100nm,这使得钙钛矿太阳电池性能优异[4]。

钙钛矿太阳电池的结构和工作原理

钙钛矿太阳电池通常是由透明导电玻璃、致密层、钙钛矿吸收层、有机空穴传输层、金属背电极五局部组成，其电池结构如图2(a)所示[5]。钙钛矿吸收层