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1、钙钛矿太阳能电池的发展与工作原理王琛 【摘要】简要回顾了钙钛矿太阳能电池的发展历史，说明了钙钛矿太阳能电池属 于染料敏化太阳能电池的一种。介绍了钙钛矿晶体的结构。分层次解释了钙钛矿太 阳能电池的结构及工作原理。钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经超过了晶体硅 太阳能电池。在未来的发展中，钙钛矿太阳能电池很有可能成为下一代薄膜太阳能 电池。指出了钙钛矿太阳能电池由于空穴传输层的材料造价昂贵等缺点导致其无法 大规模生产，并简单介绍了解决缺点的最新研究工作。%Development history of perovskite solar cells is briefly reviewed.Perovs
2、kite solarcells are solidstatedye-sensitized solar cells.Describes the structure ofperovskite.Describing the structure and working principle of perovskite solar cells.The energy conversion ef-ficiency of perovskite solar cells has exceeded the amorphous silicon solar cells.latter.A conclusion is dra
3、wn that perovskite-based solar cells are expected becoming the next generation thin-film solar cells.The bottleneck of marketization for perovskite-based solar cells is the fabrication of expensive hole transportation layer.The researches aim to resolve it are summarized.【期刊名称】黑龙江科技信息 【年(卷)，期】2016(0
4、00)001 【总页数】2页(P36-37) 【关键词】钙钛矿太阳能电池;染料敏化太阳能电池;空穴传输层【作者】王琛 【作者单位】哈尔滨工程大学理学院，黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文进入21世纪以来，随着世界人口的持续增长，工业化、城市化速度的加快，能源 的消耗速度也越来越快。在不可再生能源煤、石油、天然气的储备量越来越少的情 况下，太阳能一种庞大的、取之不尽用之不竭的新型可再生能源受到业界的 广泛关注。而现如今，天阳能最常见的利用方式就是太阳能电池。迄今为止，太阳能电池一共可分为三代，第一代太阳能电池为硅基太阳能电池。它 凭借着较为成熟的技术与较高的光电转化效率在光伏市场上找有89
5、%的巨大份额。 其中，以单晶硅太阳能电池的转化效率最高，技术最为成熟，应用最为广泛。但因 其制作成本较高，使得其在大规模生产应用上受到了限制。第二代太阳能电池是薄膜太阳能电池，包括碲化镉、铜锢镓硒化合物，碑化镓电池 等，用气相沉积法得到薄膜。虽然，第二代太阳能电池拥有更短的能量偿还周期， 但因其高额的制造成本与较低的光电转化效率以及电池自身的稳定性不够好等缺点， 使得其并没有被广泛的应用1。第三代太阳能电池是近几年新兴的新型太阳能电池，它包括染料敏化太阳能电池 (DSSC)，量子点太阳能电池，体异质结太阳能电池(BSC)等。作为一种新型的能源 技术，它具有成本低廉、制备简单等优点，但是其转化效
6、率有待提高2，3。对此 以钙钛矿为吸光材料的太阳能电池问世了。染料敏化太阳能电池是在1991年被提出的，当时的技术还很不成熟，因此效率还 很低4。直到2011年，科学家们尝试用多孔的TiO2、有机敏化机和钻电解质制 作的DSSC的效率达到了 12%.至此之后，DSSC的效率并没有多大的提高。而第 次将钙钛矿作为吸光材料制作DSSC是在2009年，当时的效率只有3.8%。经 过了四年的改进，2013年，钙钛矿DSSC的效率已达到了 15.9%。而现如今，钙 钛矿太阳能电池的效率已经达到了 19.3%5。这种效率高速的提升说明了钙钛矿 太阳能电池具有着很广泛的发展前景，同时也证明了钙钛矿太阳能电池
7、将成为未来 太阳能电池领域发展的主流。2.1钙钛矿晶体结构钙钛矿晶体是结构为钙钛矿晶型的一类晶体的总称，属于一种半导体，它的分子结 构为ABX3，其中A为有机阳离子，例如CH3NH3+ ； B为+2价的Sn2+， Cd2+或Pb2+等阳离子；乂为Cl-，Br-或I-等卤素阴离子。例如铅钙钛矿，其分 子式为CH3NH3PbI3，其晶体由1个CH3NH3+离子、1个Pb2+离子和3个I- 离子组成,金属阳离子和卤素阴离子组合形成了正八面体结构，而有机正离子处于正 中间起到了平衡电荷的作用，其结构如图1所示。CH3NH3PbI3是一种半导体染料，其禁带宽度为1.55eV，说明其原子核对核外 电子的束
8、缚能量不是很强，因此，在其受到外界光照射时电子很容易摆脱原子核从 而形成电流；它产生的激子只有约0.03eV的束缚能，意味着这些激子在室温下很 容易分解为自由载流子；科学家们发现，在液体电解质中10 pm厚的多孔TiO2 及其附着的有机染料活性层构成的染料敏化太阳能电池能量转换效率已超12%。CH3NH3PbI3-x Clx晶体中激子扩散距离达1pm,CH3NH3PbI3中激子的扩散距 离约为100 nm,这导致钙钛矿材料中载流子具有很长的使用寿命以及良好的传输 特性，基于钙钛矿半导体这种双载流子传输特性，在形成异质结时既可以是n型也 可以是p型6,在太阳能电池中可以同时作为光吸光层和传输层7
9、。2.2 钙钛矿太阳能电池钙钛矿太阳能电池是由染料敏化太阳能电池的发展衍生出来的新型太阳能电池，从 本质上它属于染料敏化太阳能电池的一种。其结构与染料敏化太阳能电池的结构相 似。其结构大致可分为3层：电子传输层，空穴传输层，吸光层。其结构如图2 所示。其中，电子传输层作为电池的负极，其作用是将吸光层分离出来的电子传输出去。 它的主要材料为在氟掺杂氧化锡（FTO）导电玻璃，上面涂上一层致密的TiO2薄 膜。空穴传输层是将被分离出来电子的空穴传输到金属阳极上。中间的那一层是吸 光层，当有光线照到吸光层时，它会吸收光能量使核外自由电子摆脱原子核的束缚 定向移动到电子传输层，从而形成电流。钙钛矿太阳能
10、电池的吸光层的构造为多孔 的TiO2上面附着着钙钛矿晶体。这样的结构可以是钙钛矿的受光面积增大，使吸 光层可以充分地吸收太阳光，进而提高了钙钛矿太阳能电池的工作效率。钙钛矿太阳能电池作为一种新型的太阳能电池，其光电转换效率十分地可观，但现 如今仍然是晶体硅太阳能电池占据着光伏市场的主要份额。钙钛矿太阳能电池并没 有替代晶体硅太阳能电池，说明了其上有许多缺点有待攻克。首先，钙钛矿太阳能电池虽然光电转换效率很高，但这只是实验中测得的数据，其 应用于实际中仍受到许多条件因素的制约。目前，实验室里制造的钙钛矿太阳能电 池都很小，仅几毫米大8，而市场需要的太阳能电池都比较大。例如晶体硅太阳 能电池的尺寸
11、一般都可以达到几十厘米甚至更大。科学家们难以制造出较大面积的 连续的钙钛矿膜，这仍然需要今后的研究突破。虽然钙钛矿材料的价格相对便宜，但制造太阳能电池的有机空穴传输层的材料却十 分昂贵，其价格为黄金的10倍以上。这使得钙钛矿太阳能电池的制造成本大幅度 提高。最近，Christian等发现了用碘化铜制成的无机空穴传输层来代替原来有机 空穴传输层的材料9，但实验结果表明，基于碘化铜的钙钛矿太阳能电池的光电 转换效率有所下降。太阳能电池的优劣程度，不仅仅是取决于其光电转换效率，还有稳定程度。但目前 越来越多的研究人员注意到，在对钙钛矿太阳能电池进行伏安特性曲线测试时，图 线产生了较为明显的回滞现象，
12、这种现象会导致研究人员在观测时对太阳能电池效 率的高估或低估。研究人员发现，夕卜界光照条件的变化甚至扫描速度的变化都会对 实验结果产生较大的影响10。虽然很多学者发现了这一现象，但引发这一现象的 原因目前尚在研究中，有待进一步地探索。钙钛矿晶体因其成本低、可溶液制备、易成膜等优点展现了优异的性能以及强大的 竞争力。钙钛矿太阳能电池与传统的非晶硅电池相比，短路电流密度、开路电压以 及能量转换效率均已超出后者。此外，钙钛矿太阳能电池的制备工艺成本低廉、制 备较为简单，拥有非常广阔的发展前景。其受到科研界的广泛重视并有望实现产业 化而成为下一代薄膜太阳能电池。光伏技术的商业化必须考虑成本、效率和稳定
13、性，钙钛矿太阳能电池的稳定性问题 亟待解决。此外，其空穴传输层材料价格过于昂贵，也是其无法产业化的重要原因 之一。不过，钙钛矿太阳能电池在世界各国科研人员的努力下一定会不断完善并逐 步商业化，成为解决当前能源问题的重要途径之一。【相关文献】1 Snaith H.J.,J.Phys.Chem.Lett.,2013,4(21) : 362336302 Graitzel M.,Janssen R.A.,Mitzi D.B.,Sargent E.H., Nature,2012,488(7411),304312.3 Todorov T.K.,Reuter K.B.,Mitzi D.B.,Adv.Mate
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