ABX3型钙钛矿光伏材料的结构与性质调控[优质ppt]
钙钛矿ppt范文
钙钛矿ppt范文第一页：标题：钙钛矿的结构与性质第二页：1.什么是钙钛矿？-钙钛矿是一种具有ABX3晶体结构的材料。
-其中，A位是钙钛矿结构的阳离子，B位是典型的过渡金属离子，X 位是典型的卤素离子。
-钙钛矿的特点是具有良好的光电转换效率和较高的吸光系数。
第三页：2.钙钛矿的结构-钙钛矿的晶体结构为ABX3，其中A位为有机阳离子，B位为金属阳离子，X位为卤素阴离子。
-钙钛矿晶体结构中，A位与B位之间有一个无机钙钛矿层。
-钙钛矿晶体结构中，A位和B位之间的正离子和负离子分别通过包含有机阳离子的晶格壳层进行分隔。
第四页：3.钙钛矿的制备方法-溶液法：通过将金属硝酸盐和有机酸溶液在适当温度下混合，形成钙钛矿溶液，再通过旋涂、退火等步骤形成薄膜。
-气相沉积法：通过在高温下将金属有机化合物蒸发，使其与气相中的卤素发生反应，生成钙钛矿晶体。
-离子溶胶凝胶法：通过将金属离子与络合剂溶解在有机溶剂中，形成溶胶，再通过凝胶化、干燥等步骤形成钙钛矿薄膜。
第五页：4.钙钛矿的光电性能-钙钛矿具有较高的吸光系数，能有效吸收太阳光谱范围内的光线。
-钙钛矿的电子传输率和载流子迁移率较高，有利于电荷的分离和传输。
-钙钛矿的光电转换效率较高，目前已超过25％。
第六页：5.钙钛矿的应用前景-钙钛矿可用于太阳能电池、光电探测器、光电催化等领域。
-钙钛矿太阳能电池具有高效率、低成本、可弯曲等特点，是光伏领域的热门研究方向。
-钙钛矿可能应用于光电催化反应，具有优异的光催化性能。
第七页：结论：-钙钛矿具有优异的光电转换效率和发展潜力。
-通过不同的制备方法，可以制备出具有良好性能的钙钛矿薄膜和晶体。
-钙钛矿在太阳能电池、光电探测器、光电催化等领域具有广阔的应用前景。
钙钛矿晶体质量与光伏电池性能调控
2023-11-12
目录
• 钙钛矿晶体结构与性质 • 钙钛矿光伏电池工作原理与性能
影响因素 • 钙钛矿晶体质量对光伏电池性能
的影响
目录
• 光伏电池性能调控策略与实验方 案
• 实验结果与数据分析 • 结论与展望
01
钙钛矿晶体结构与性质
钙钛矿晶体结构
钙钛矿晶体结构特点
01 材料优化
开发新型高效、稳定且具有低成本的钙钛矿材料 是提高电池性能的关键。
02 界面工程
优化前后电极与钙钛矿层之间的界面性质，提高 载流子的传输效率。
03 制备工艺优化
通过优化制备工艺，实现大面积、高质量、低成 本的钙钛矿光伏电池制备。
钙钛矿晶体质量对光伏电池
03
性能的影响
钙钛矿晶体质量对载流子迁移率的影响
钙钛矿光伏电池工作原理与
02
性能影响因素
钙钛矿光伏电池工作原理
钙钛矿光伏电池基本结构
钙钛矿光伏电池通常由前电极、钙钛 矿层、HTL和后电极组成。
光吸收机制
钙钛矿层吸收太阳光，产生电子-空 穴对。
载流子传输
在电场作用下，电子和空穴分别向正 负电极迁移，形成电流。
光伏效应
钙钛矿光伏电池利用光生伏特效应将 太阳能转化为电能。
VS
载流子迁移率
载流子迁移率是决定钙钛矿光伏电池性能 的重要因素之一，高迁移率可以增加载流 子的扩散长度，提高光电转换效率。
06
结论与展望
研究成果总结
01 钙钛矿晶体结构与光伏性能关系得到进一步明确
02 多种因素影响钙钛矿晶体质量和光伏性能的机理 得到揭示
03 为优化钙钛矿光伏电池性能提供了理论支撑和实 践指导
钙钛矿型太阳能电池ppt课件
3. 课题研讨方向
就目前来看，虽然太阳能电池的转化效率有了一定的提高，最高 效率19.4%。但依然存在以下问题： 1.效率低 2.电子复合严重 3.钙钛矿层制造方法，不易于产业化 4.实际研讨缺乏 研讨方向 1.研讨钙钛矿层对电池性能的影响 2.寻觅新资料〔光呼应范围宽且强的钙钛矿构造、HTM等〕
特点：晶体构造稳定、独特的电池性能、很高的氧化复原、氢解、 吸光 性、异构性、电催化等
2021年，Akihiro Kojima[1]等初次提出将CH3NH3PbI3和 CH3NH3PbBr3〔钙钛矿资料〕制备成量子点〔9-10nm〕运用到太阳能电 池中〔染料敏化太阳能电池，简称DSSC)。研讨在可见光范围内，该类 资料敏化TiO2的太阳能电池性能。最后，获得了3.8%的光电效率。
[4]Hui-seon Kim.Jin-wook Lee,etal.Nano lett.2019,13,2412-2417
2019年，Dong qin Bi[5]等人研讨了三种不同的HTM对电池性能的 影响。 1.SPiro-OMeTAD， 2.Poly(3-hexylthiophene-2.5-diyl)-P3HT 3.4-(diethylamino)-benzaldehyde diphenyldrazone-DEH
6050-6051
钙钛矿层制造方法
1.液相一步法 2.液相两步法 3.气相共蒸发堆积法 4.气相辅助液相法
2.国内外研讨现状
2019年，Jin Hyuck Heo等将一种固态的空穴导电资料〔hole transporting materials，简称HTM)引入到太阳能电池中，使得电池效 率到达10%左右[3]。
ABX3型钙钛矿光伏材料的结构与性质调控课件
ABX3型钙钛矿光伏材料的结构与性质调控课件ABX3型钙钛矿是一种广泛应用于光伏领域的材料。
它的化学式为A(BX3)3，其中A为有机阳离子，B为钙和钛等过渡金属，X为卤素（氟、氯、溴或碘）。
这种材料具有许多理想的光电性质，因为其非常适合用作太阳能电池的光吸收层。
当光线通过材料时，它的结构和化学性质决定了它对光的吸收率和转换率。
这个材料的特殊结构被称为钙钛矿结构，是由一系列重复的ABA层组成的。
其中，B 和X离子形成八面体结构，而A离子则填充在八面体之间的空隙中。
为了实现最佳的光电性能，人们尝试通过调控钙钛矿结构和化学性质，来改变其光电转换效率、稳定性和光吸收波长等性能。
以下介绍一些常见的结构和性质调控方法：1. 合理选用A、B、X元素钙钛矿的A、B、X元素的选择直接决定了其光吸收波长和光电转换效率。
例如，选择可以产生强烈荧光的荧光稀土离子作为红外荧光材料来替换X元素，则可将吸收在波长280 nm以下或900 nm以上的红外光转换为可见光，从而提高光电转换效率。
2. 离子掺杂人们尝试通过掺杂一些金属或非金属离子，来改变钙钛矿的结构和性质。
例如，掺杂铝离子可以改变双向晶格畸变和费米水平，从而提高其电子传输性能和光电转换效率。
3. 尺寸调控通过调整钙钛矿的晶粒大小和形状，可以有效地调节其光吸收和电子结构。
较小的晶粒有更大的表面积，从而提高了光吸收率。
此外，微型和纳米尺度的钙钛矿还具有更好的光电性能和稳定性。
4. 表面修饰通过在钙钛矿表面修饰分子或聚合物，可以增加其稳定性和光电转换效率。
表面修饰可以调节材料与其他成分的相互作用，从而影响电荷传输和载流子寿命。
总之，钙钛矿结构和性质的调控是提高光电转换效率、稳定性和光吸收波长等性能的关键。
这些方法将进一步推动钙钛矿在光伏应用中的发展。
钙钛矿太阳能电池报告ppt课件
➢ 双源气相沉积法
➢ 顺序气相沉积法
MA : CH3NH3+
MA : CH3NH3+
Journal of Nanomaterials, vol. 2018, Article ID 8148072, 15 pages, 2018.
合成方法 — 溶液法
➢ 一步法
➢ 两步法
MA : CH3NH3+
MA : CH3NH3+
ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 42436-42443
含噻唑 240nm
界面钝化
功率转换效率
无噻唑
14%
50个太阳能电池功率转换效率直方图
含噻唑
ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 42436-42443
18%
界面钝化
目录 CONTENTS
1 历史背景
2 钙钛矿太阳能电池的基本结构
3 高效率太阳能电池的实现
4 前景及挑战
钙钛矿光伏技术的起点：
Organometal halide perovskites as visible- light sensitizers for photovoltaic cells
被《Science》杂志评为 2013 年十大科学突破之一
无噻唑 120nm
Top-view SEM images MAPbI3 films: (a, b) fabricated without thiazole; (d, e) fabricated with a thiazole additive (c, f) Histogram of the grain size for MAPbI3 films w/o and with thiazole
钙钛矿的结构
钙钛矿的结构
钙钛矿是一种晶体结构，它的化学式为ABX3。
在钙钛矿结构中，A代表较大的阳离子，B代表较小的阳离子，X代表阴离子。
钙钛矿结构通常采用立方晶系，其中钙离子(A离子)位于正立方体的顶点，X离子(阴离子)位于正立方体的面心位置。
B离子(较小的阳离子)位于正立方体的空隙中心位置。
A和X离子之间形成了A-X键，而A和B离子之间形成了A-B键。
钙钛矿的结构对于一些重要的功能材料非常关键，如太阳能电池和固态发光器件。
它的独特结构使得钙钛矿具有优异的光电性能和热稳定性，在能源和光电领域有着广泛的应用前景。
ABX3型钙钛矿光伏材料的结构与性质调控
ABX3型钙钛矿光伏材料的结构与性质调控陆新荣;赵颖;刘建;李承辉;游效曾【摘要】近年来,钙钛矿太阳熊电池由于其效率高、制造成本低、工艺简单等特点受到广泛关注,成为目前太阳能电池领域的研究热点.在钙钛矿太阳能电池中,无机-有机杂化ABX3材料非常重要.它既作为光吸收材料,同时又作为载流子传输材料,因此它的光电性质直接影响到太阳能电池的效率.本文综述了调控无机有机金属卤化物ABX3型钙钛矿光伏材料结构和性质的几种途径.【期刊名称】《无机化学学报》【年(卷),期】2015(031)009【总页数】9页(P1678-1686)【关键词】钙钛矿;太阳能电池;光谱;晶体结构;调控【作者】陆新荣;赵颖;刘建;李承辉;游效曾【作者单位】南京大学化学化工学院,配位化学国家重点实验室,南京微结构国家实验室,人工微结构科学与技术协同创新中心,南京 210093;南京大学化学化工学院,配位化学国家重点实验室,南京微结构国家实验室,人工微结构科学与技术协同创新中心,南京 210093;南京大学化学化工学院,配位化学国家重点实验室,南京微结构国家实验室,人工微结构科学与技术协同创新中心,南京 210093;南京大学化学化工学院,配位化学国家重点实验室,南京微结构国家实验室,人工微结构科学与技术协同创新中心,南京 210093;南京大学化学化工学院,配位化学国家重点实验室,南京微结构国家实验室,人工微结构科学与技术协同创新中心,南京 210093【正文语种】中文【中图分类】TM914.4随着能源问题的日益严峻，寻求一种丰富的可再生能源迫在眉睫。
太阳能是地球上最丰富的可持续发展能源，因此如果能够有效地利用太阳能，必将缓解甚至彻底解决能源问题。
太阳能电池是一种非常有效的太阳能利用方式。
其中，基于无机p-n 结机理的硅太阳能电池、CdTe薄膜太阳能电池、CIGS薄膜太阳能电池和基于有机激子机理的染料敏化太阳能电池、有机薄膜太阳能电池等是目前最典型的几种太阳能电池。
钙钛矿太阳能电池 PPT精选文档
Application of Perovskite Solar Cells
全华锋，路顺茂，王晨宇，薛伟，唐川
低维材料及其应用教育部重点实验室，湘潭大学，湖南，411105
汇报内容
1
背景介绍及发展史
2
器件结构及原理
3 吸光材料的成膜技术及制备
4
C问lic题k 及to前ad景d展Ti望tle
传统的非晶硅太阳能电池，经 过多年的发展，其光电转换效率提 升缓慢．相比之下，近年来出现的 新型太阳能电池如有机太阳能电池 （OPV）、钙钛矿太阳能电池、染料 敏化太阳能电池（DSSC）和量子点 太阳能电池(quantum dot solar cells)，发展较快，光电转换效率 提升明显。
时间
团队
器件结构及原理
Reference
[1] The emergence of perovskite solar cells, Nature Photonics, 2014, 8, 506–514. [2] Perovskite Solar Cells: From Materials to Devices, Small, doi:10.1002/small201402767. [3]邓林龙, 谢素原, 黄荣彬,等. 钙钛矿太阳能电池材料和器件的研究进展[J]. 厦门大学
为立方相。高温立方相晶体结构具
有最大的电子传导特性。
5
器件结构及原理
钙钛矿太阳能电池器件结构及制备
图4 钙钛矿太阳能电池结构示意图及SEM照片
由掺杂氟SnO2 （fluorine-tin-oxide, FTO)导电玻璃、电子传输层（ETM）、钙钛矿 吸收层（如CH3NH3PbI3、CH3NH3PbI2Cl、CH3NH3PbBr3等）、空穴传输层（HTM） 和金属对电极组成。 电子传输层（ETM）多为ZnO、TiO2等，空穴传输层（HTM）多为Spiro-OMeTad、 FTAA、H3MT、PEDOT：PASS等固态介质材料。
钙钛矿的物理和化学性质探究
钙钛矿的物理和化学性质探究钙钛矿是一种广泛存在于自然界中的矿物，同时也是一类非常重要的半导体材料。
它因其优良的光电性质而在太阳能电池、LED等领域得到了广泛的应用。
本文将探究钙钛矿的物理和化学性质。
结构特征钙钛矿的晶体结构为ABX3型，其中A和B是两种阳离子，分别位于晶体的两个不同的位置上。
X则是一种阴离子，通常为氧离子。
这种晶体结构的特点是，A在晶格中呈现正方形堆积，B则呈立方体堆积。
而X离子则被这些阳离子用八面体所包围。
在晶体结构中，B离子与X离子之间相互作用，形成了一种强烈的电子极化。
因此，钙钛矿具有相对较高的介电常数和较高的非线性光学系数。
光电性能钙钛矿因其独特的晶体结构而表现出优异的光电性能。
它的光吸收系数极高，对光的利用率极高，因此具有很高的能量转换效率。
同时，钙钛矿还能够表现出优异的发光性能，由于其晶格五配位构型的结构特点，导致其表现出了高品质的发光行为。
这些特性使得钙钛矿经常被应用于LED和太阳能电池等领域。
化学性质钙钛矿是一种化学稳定性良好的非金属化合物，具有极强的耐高温、耐腐蚀和耐辐射性。
不过，它也存在着化学不稳定性的问题。
近年来，许多学者发现部分钙钛矿材料会在较短时间内发生退化。
这种现象通常被称为“钙钛矿泄漏”，可能会导致太阳能电池性能降低和光伏寿命缩短。
应用前景钙钛矿理论上有着很大的应用前景。
通过对钙钛矿的优化改进，太阳能电池的效率和稳定性可以得到显著提升。
此外，近年来，固态灯具等新型光源技术有着越来越广泛的应用，而钙钛矿作为一种新型的光电材料也有着广阔的前景。
总结钙钛矿之所以成为一种受到极大关注的半导体材料，是因为它既具有良好的光电特性，又拥有着很高的光电转换效率和化学稳定性。
当然，钙钛矿也存在着一定的缺陷，比如化学不稳定性等问题。
但是，人们可以通过改进优化的方法来解决这些问题，进一步发掘出钙钛矿这个重要半导体材料的潜力。
钙钛矿太阳能电池技术与发展ppt课件
12.1%
15%
二、钙钛矿材料的制备方法与形貌控制 2.4气相法（2）
分步气相法（SVD）：将PbCl2蒸镀成平整的薄膜，再在加热的衬底上蒸镀上MAI薄膜 闪蒸法（FE）：将钙钛矿粉末作为蒸发源，利用较大的电流，瞬间蒸发形成薄膜 CVD法：将MAI粉末至于高温段，通过氮气气流，MAI蒸汽到达放置了PbI2薄膜的低温段进行反应
层叠结构 厚度~400nm 制作简单 开路电压高 重复性较差 形貌不稳定 回滞较明显
介孔结构
平面异质结结构（p-i-n）
钙钛矿电池的发展过程
最佳结构
二、钙钛矿材料的制备方法与形貌控制 2.1一步旋涂法
不同前驱液配比 PbI2：MAI
不同退火温度
常见参数： 溶剂：DMF，GBL，DMSO 配比：PbI2：MAI=1：1，PbCl2：MAI=1:3 旋涂速度：2000-4500 rpm 退火温度：常温~130°C 溶液浓度：1M
为解决介孔结构上钙钛矿负载量小，表面起伏较大等问题，制作工艺随之发展
一步法
两步法
纳米碳管作为介孔材料
三、钙钛矿太阳能电池的结构优化 3.1介孔结构PSC 3.1.1半导体介孔材料（ZnO）
通过精确调控参数也使得该类型器件效率达到15.7% 不需要经过高温烧结，工艺简单 可运用雨柔性衬底
钙钛矿形貌
柔性电池
三、钙钛矿太阳能电池的结构优化 3.1介孔结构PSC 3.1.1绝缘体介孔材料
绝缘体介孔材料仅祈祷骨架辅助成膜作用，不参与载流子输运，在材料选择上具有很大自由度
Al2O3介孔材料
ZrO2介孔材料
ABX3型钙钛矿光伏材料的结构与性质调控
ABX3型钙钛矿光伏材料的结构与性质调控ABX3型钙钛矿光伏材料是一类具有良好光电性能的材料，其中A代表一种有机阳离子或无机阳离子，B代表一种金属阳离子，X代表一种卤素阴离子。
这类材料在太阳能电池中的应用潜力巨大，因为它们具有高的光吸收系数、长寿命寿命以及良好的电荷输运性能。
要充分发挥ABX3型钙钛矿光伏材料的性能，需要对其结构和性质进行调控。
通过调控结构与性质，可以实现光电转换效率的提高、制备工艺的优化以及稳定性的提升。
首先是结构调控。
传统的ABX3型钙钛矿光伏材料的结构是立方相，但近年来研究表明，采用其他晶相或在立方相上引入缺陷可以显著提高光电性能。
例如，采用钙钛矿材料的单晶或多晶结构可以提高载流子的迁移率和增加吸收光谱范围，从而提高光电转换效率。
此外，引入缺陷也可以改善材料的稳定性和减低缺陷密度。
其次是性质调控。
ABX3型钙钛矿光伏材料的性质与其组成元素有关。
调控组成元素可以改变材料的能带结构和光吸收性能。
例如，通过改变B元素的种类和比例，可以调节材料的导带和价带位置，从而优化光电转换效率。
此外，改变X元素的种类和比例可以调整材料的禁带宽度，实现宽光谱范围内的光吸收。
另外，界面调控是提高ABX3型钙钛矿光伏材料性能的关键。
在太阳能电池中，光生电子-空穴对在材料中形成后需要通过界面传输到电极，因此界面的质量对光电转换效率至关重要。
通过优化电极材料的选择、界面电子传输层的设计以及界面接触的工艺条件，可以提高光生电子-空穴对的收集效率和减小电子-空穴对的复合速率，从而提高光电转换效率。
在调控ABX3型钙钛矿光伏材料的结构与性质时，还需要考虑材料的稳定性和生产工艺的可行性。
稳定性是材料应用于实际太阳能电池中的关键问题，因为ABX3型钙钛矿光伏材料易于发生结晶和分解。
因此，需要进行合适的界面和封装材料设计以提高材料的稳定性。
同时，制备工艺的可行性是推动ABX3型钙钛矿光伏材料产业化的重要因素，需要开发出低成本、高效率的制备工艺来实现大规模生产。
有机无机钙钛矿材料ppt课件
10
二、有机-无机杂化钙钛矿结构
介电约 束效应 联合作用
量子约 束效应
较大的激子结合能
调节无机和
强的室温光致发光特性 有机的组分
较高的载流子迁移率
非线性光学效应…
在光电领域 的巨大应用 前景
11
三、有机-无机杂化钙钛矿材料的性能
特 殊
载流子迁移率高、
扩散长度长
应
的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
光吸收能力强
用
杂
发光效率高
广
化 结
能带工程
泛
构
制备工艺低成本
12
二、有机-无机杂化钙钛矿的应用
钙钛矿
%
年份 几种薄膜太阳能电池光电转换效率近20年来的提升情况
14
二、有机-无机杂化钙钛矿的应用
钙钛矿太阳能电池结构
电极 传输电子，阻碍空穴 钙钛矿吸收层（300 nm） 传输空穴，阻碍电子
空穴迁移层 导电玻璃
典型钙钛矿电池结构
15
二、有机-无机杂化钙钛矿的应用
钙钛矿太阳能电池工作原理
当钙钛矿吸收质吸收太阳光受激后，产生电子空穴对，激子在吸 收层运动至钙钛矿吸收层与电子传输层与空穴传输层后发生分,电 子注入电子传输层（阳极），空穴注入空穴传输层（阴极）,最后 经外部电路循环形成回路电流。
主讲人： 组员：
1
概述 结构 性能
应用
ABX_3型钙钛矿化合物的带隙调控及磁、光性质的第一性原理研究
ABX_3型钙钛矿化合物的带隙调控及磁、光性质的第一性原理研究随着社会的高速发展,人类对能源的需求也日益增长,传统化石能源的有限性和大量消耗所引起的环境污染及气候变暖等问题,引发了人们对可持续能源的迫切需求。
2009年,基于甲胺碘铅MAPb I3(MA=CH3NH3+)制备出的钙钛矿太阳能电池引起了研究人员对ABX3型钙钛矿材料的研究热情。
然而,甲胺碘铅中铅元素的毒性和其光响应范围不够宽是制约这类太阳能电池进一步发展的两个关键因素。
为了实现以上两个关键问题的解决。
本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,在研究MAPb I3结构的基础上,通过替位掺杂来寻找无铅型钙钛矿太阳能电池材料,并同时实现对MAPb I3带隙的调控。
本文研究所获得的创造性成果主要有:第一,拉伸应变和压缩应变能够调控MAPb I3的带隙。
对MAPb I3施加拉伸应变,能够增大MAPb I3的带隙,而施加压缩应变后,MAPb I3的带隙将减小。
MAPb I3中有机阳离子的取向能够对MAPb I3的结构和带隙产生轻微影响。
MAPb I3中不同原子出现的空位缺陷对MAPb I3的结构和物理性质产生明显影响,主要表现在:C原子出现空位缺陷时,MAPb I3依然为半导体,但I原子或Pb 原子出现空位缺陷时,MAPb I3表现金属性。
此外,N空位、与N相连的H原子出现空位时、与C相连的H原子出现空位时MAPb I3均产生自旋极化现象,此时MAPb I3具有磁性。
第二,用第四周期的十种过渡金属原子取代MAPb I3中的Pb原子后,新的钙钛矿化合物在其基态呈现出多样的物理属性。
其中,MAZn I3和MACo I3分别是首次发现的钙钛矿型无带隙半导体和自旋无带隙半导体。
其它的化合物如:MASc I3、MATi I3、MACr I3、MAFe I3和MANi I3为铁磁性的半金属。
MAVI3和MAMn I3为铁磁性的半导体。
在压缩应变和拉伸应变作用下,八种铁磁性钙钛矿化合物的物理属性随着应变发生变化。
ABX3型钙钛矿光伏材料的结构与性质调控ppt课件
钙钛矿结构中B-X-B键的夹角对调节钙钛矿材料的带隙起着至关重要的作用。 因此，通过改变不同金属离子来调控钙钛矿材料的结构和性质同样备受关注
根据元素周期律Ge2+比Pb2+和Sn2+更容易被氧化
这三者的稳定性大小依次为AGeI3< ASnI3< APbI3
CH3NH3PnI3
用Sn2+代替Pb2+
CH3NH3SnI3
ABX3型钙钛矿光伏材料的结构与性质调控
1
ABX3型光伏材料结构与性质的关系 阳离子A对ABX3型光伏材料的调控 金属离子B对ABX3型光伏材料的调控 卤素阴离子离子X对ABX3型光伏材料的调控
2
ABX3型光伏材料结构与性质的关系
钙钛矿型ABX3有机—无机杂化材料
A: 有机胺阳离子（例如CH3NH3+） B: 金属Pb+或者Sn+ X: Cl-、Br-、I-等卤素阴离子或者SCN-
顶电池的钙钛矿有源层 底电池的硅材料有源层
高能量光子 低能量光子
宽光谱高效光吸收 降低热效应
度因进此行，调非控常以有分必别要适对应AB不X同3型类钙型钛太矿阳材能料电的池禁的带要宽求
4
ABX3型光伏材料结构与性质的关系
钙了钛钙矿钛的矿理结想构晶的胞基如本图三所维示骨。架。BX6八面体顶点相连构成
A离子填充于12配位的晶格空隙中 位于立方体的8个顶点上
B离子位于体心
X离子位于6个面心点上
在这种晶体结构中离子半径间满足下列关系： RA+RB=t√2（RA+RB）
t在0.77~1.1，以钙钛矿存在 t<0.77，以铁钛矿存在 t>0.11时以方解石或文石型存在
钙钛矿太阳能电池
钙钛矿太阳能电池钙钛矿电池介绍钙钛矿是一种分子式为ABX3的晶体材料，呈八面体结构，其中A 是较大的阳离子，如有机阳离子甲胺CH3NH3+(MA+)、甲脒NH2CH=NH2+（FA+）、金属阳离子铯Cs+、铷Rb+等；B是较小的阳离子，如铅离子Pb2+、锡离子Sn2+；X一般是卤素阴离子，氯离子Cl-、溴离子Br-、碘离子I-等。
每个A离子被B和X离子一起构成的八面体所包围。
钙钛矿材料在光伏和LED领域有潜在应用，用于光伏太阳能电池的典型钙钛矿材料是CH3NH3PbI3。
图1.钙钛矿材料结构资料来源：网络资料单层钙钛矿太阳能电池的结构可分为介孔结构和平面结构。
在介孔结构的钙钛矿电池中，钙钛矿材料作为光敏化剂覆盖在多孔TiO2上。
平面结构不再有介孔层，制备工艺相应得到简化，根据 N 型或者 P 型沉积顺序的不同，平面结构可进一步分为平面正式结构、平面反式结构。
图2.(a)介孔结构，(b)平面正式结构，(c)平面反式结构资料来源：《钙钛矿太阳能电池在全钙钛矿叠层器件中的应用研究》钙钛矿电池的工作机理为：钙钛矿材料受太阳光照射产生光生载流子，光生载流子分离为空穴、电子，其中空穴从钙钛矿材料进入空穴传输层，电子从钙钛矿材料进入电子传输层，最后分别通过金属电极和透明导电基底传输至外电路。
叠层太阳能技术可以获得更高的转换效率。
太阳光光谱可以被分成连续的若干部分，用能带宽度与之有最好匹配的材料做成电池，按照能隙从大到小从外向里叠合，最外边宽带隙材料电池吸收波长短的光，而波长较长的光透射进入被较窄能隙材料电池吸收利用，达到最大程度将光能转化为电能的目的。
图3.叠层钙钛矿太阳能结构示意图及原理资料来源：中国科学技术大学钙钛矿的优劣势降本增效是光伏行业的永恒主题，钙钛矿太阳能电池的潜力便正好符合这两个需求。
在理论极限上，晶硅太阳能电池、PERC单晶硅电池、HJT 电池、TOPCon电池的极限转换效率为29.40%、24.50%、27.50%、28.70%。
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顶电池的钙钛矿有源层 底电池的硅材料有源层
高能量光子 低能量光子
宽光谱高效光吸收 降低热效应
度因进此行，调非控常以有分必别要适对应A不BX同3型类钙型钛太矿阳材能料电的池禁的带要宽求
ABX3型光伏材料结构与性质的关系
钙了钛钙矿钛的矿理结想构晶的胞基如本图三所维示骨。架。BX6八面体顶点相连构成
A离子填充于12配位的晶格空隙中 位于立方体的8个顶点上
例中如的，MA采+后用所乙得胺材、料丙通胺常、为长二链维烷层基状或结芳构基，胺但阳甲离子脒代胺替不M同APbI3
甲胺 < 甲脒胺(HC(NH2)2+) < 乙胺
离子半径： 0.18nm
0.19~0.22nm
0.23nm
它与PbI2反应能形成三维钙钛矿材料α –FAPbI3，其禁带带宽（1.47eV）还小 于甲胺铅碘的禁带宽度（1.47eV），更接近半导体最佳带宽（1.1~1.4eV）
ABX3型钙钛矿光伏材料的结构与性质调控
ABX3型光伏材料结构与性质的关系 阳离子A对ABX3型光伏材料的调控 金属离子B对ABX3型光伏材料的调控 卤素阴离子离子X对ABX3型光伏材料的调控
ABX3型光伏材料结构与性质的关系
钙钛矿型ABX3有机—无机杂化材料
A: 有机胺阳离子（例如CH3NH3+） B: 金属Pb+或者Sn+ X: Cl-、Br-、I-等卤素阴离子或者SCN-
当CH3NH3SnI3中的I-按照不同比例掺入 Br-之后，材料的禁带宽度在1.3~2.15eV 之间改变，相应的吸收也介于 650~950nm之间。经过调节优化Br-与I之间的比，他们用一步法制备得到的由 CH3NH3SnIBr2作为光吸收层的太阳能电 池，其光电转换效率最高为5.73%
收进以一CH步3N增H加3S到n11-0xP5b0xnI3m钙的钛近矿红为外基区础域，，通最过大改短变路其电中流S达n与到P2b0的m比A·例cm，-2(将对吸 应1.3于~1x=.50e.5V)之。间混呈合线CH性3变NH化3S，n而1-xP是b都xI3小钙于钛1矿.3的eV能级并不随着x的变化在
阳离子A对ABX3型钙钛矿材料结构与性质的调控
基于α –FAPbI3的太阳能电池光电转换效率达到14.2%
采用α –FAPbI3/ MAPbI3双层钙钛矿材料制备 的太阳能电池获得了超过16%的光电转换效率
具有钙钛矿结构的α –FAPbI3在 常温环境下会转化成非钙钛矿 结构的六方相α –FAPbI3
钙钛矿太阳能电池中最常用的ABX3材料为甲胺铅碘（CH3NH3PbI3） 电子和空穴扩散长度：130、100nm 禁带宽度为1.51eV，在400~800nm范围内均有良好的吸收
1.51eV>1.1~1.4eV
为单节太阳能电池半导体最佳带宽 甲胺铅碘的禁带宽度仍未达到最优的地步
ABX3型光伏材料结构与性质的关系
吸收光谱红移 吸收光谱蓝移
要、B维、持X钙各钛离矿子A的BX半3径的必三须位匹晶配体。结因构此，必就须需要要选保择证合其适容的限离因子子，t在使0.之77既~1能.1形之成间钙，钛A 矿结构，又能有合适的禁带宽度
阳离子A对ABX3型钙钛矿材料结构与性质的调控
采用离子半径较大的阳离子
理论上使钙钛矿ABX3晶格扩大，禁带宽度变窄 ，吸收光谱红移，有利于获得更高的光电流 实际上阳离子半径太大不利于ABX3结晶在三位钙 钛矿结构中，从而不具备钙钛矿材料的光电性能
卤素阴离子X对ABX3型钙钛矿材料结构与性质的调控
对于卤素阴离子而言，从Cl到I离子半径增大导致ABX3的晶格常数变大，钙钛 矿材料的吸收光谱会发生红移
混合卤素钙钛矿CH3NH3PbI2Cl
10.9%
以CH3NH3PbI2Br为吸收层 采用CH3NH3PbI2Br通过一种热分解 的方法制备的平面结构太阳能电池
钙钛矿结构中B-X-B键的夹角对调节钙钛矿材料的带隙起属离子来调控钙钛矿材料的结构和性质同样备受关 注
根据元素周期律Ge2+比Pb2+和Sn2+更容易被氧化
这三者的稳定性大小依次为AGeI3< ASnI3< APbI3
CH3NH3PnI3
用Sn2+代替Pb2+
CH3NH3SnI3
>
单纯FAPbI3 (11%)
研究表明，随着x的减小，其发射峰红移并 且拓宽，吸收光谱也呈现出规律性的变化
混合阳离子（MA+和FA+）及混合阴离子（Br和I-）材料(MAPbBr3)x(FAPbI3)1-x (19.3%)
Br-的引入会增大材料的禁带宽度，吸收 光谱蓝移，不利于获得更高的光电流
金属离子B对ABX3型钙钛矿材料结构与性质的调控
与CH3NH3PnI3在室温条件下通常为低对称的β 相不同，CH3NH3SnI3 即使在室温下也是以最高对称性的α相存在的。研究表明， CH3NH3SnI3具有相比于CH3NH3PbI3更小的禁带宽度，约为1.3eV
以CH3NH3SnI3为光 吸收层的电池光谱吸 收可达950nm
金属离子B对ABX3型钙钛矿材料结构与性质的调控
通常会有黄色δ–FAPbI3的相生成 ，以及PbI2的残留等问题
阳离子A对ABX3型钙钛矿材料结构与性质的调控
采用两步法引入混合阳离子（MAI和FAI），获得了不同配 比的混合阳离子钙钛矿材料(MA)x(FA)1-x PbI3（x=0~1）：
混合钙钛矿 (MA)0.6(FA)0.4 PbI3 (14%)
B离子位于体心
X离子位于6个面心点上
在这种晶体结构中离子半径间满足下列关系： RA+RB=t√2（RA+RB）
t在0.77~1.1，以钙钛矿存在 t<0.77，以铁钛矿存在 t>0.11时以方解石或文石型存在
ABX3型光伏材料结构与性质的关系
离子半径增大 离子半径减小
晶胞扩展 晶胞收缩
禁带宽度变窄 禁带宽度变宽
由于在太阳光的成分中近红外和红外光占有相当大的比例，如果能够ABX3 材料的禁带宽度降低，将光吸收范围延伸至近红外和红外区，就可以大幅 提升钙钛矿太阳电池的光电流
利用钙钛矿材料与硅材料（晶体硅1.12eV、微纳晶硅1.2~1.4eV）的禁带 宽度差异，构建基于宽带隙钙钛矿材料与窄带隙硅材料的叠层太阳电池