《太阳能电池基础与应用》钙钛矿电池+第一部分

钙钛矿材料的晶体结构

Generic formula: ABX 3

Methylammonium-lead-iodide

CH 3NH 3PbI 3

CH 3NH 3+ Pb 2+I -

A B X

基于金属卤化物的钙钛矿材料

钙钛矿材料应用在光电器件

高的吸收系数

高的态密度和吸收系数

浅的缺陷态

Yanfa Yan et al., Appl. Phys. Lett. 104 (2014) 63903.

材料无序度小

Material Bandgap (eV)q∙Voc(eV)Energy loss (eV)

GaAs 1.43 1.120.31

Silicon 1.120.750.37

CIGS~1.150.740.41

Perovskite

1.55 1.070.48 (CH3NH3PbI3)

CdTe 1.490.900.59

a‐Silicon 1.550.890.66

扩散长度高于100nm,甚至超出um量级

(a)(b)

G. C. Xing et al., Science, 342, 344 (2013).

S. D. Stranks et al., Science, 342, 341 (2013).

Efficiency Jumping from 3.8% to 20.1%

钙钛矿电池论证最高效率: 21%

基于染料敏化电池结构的全固态钙钛矿电池

H. S. Kim et al., Scientific Reports, 2, 591 (2013).

基于Al

2O

3

骨架的介孔结构钙钛矿电池

M. M. Lee et al., Science, 338, 643 (2013).

平面结构

进一步证实了载流子扩散长度大于100nm.

从介孔结构到平面结构的演化

S. W. Yang et al., Science, 348, 1234 (2015).

H. Zhou et al., Science, 345, 542 (2014). 钙钛矿电池结构发展

钙钛矿电池研究核心问题

高效率：主要是高质量钙钛矿薄膜的生长

电滞回线：介孔或反式结构

稳定性：材料和界面控制

形貌调控电滞现象稳定性

CH3NH3I+PbI2 CH3NH3PbI3钙钛矿材料的形成过程：

成膜方法：

一步法：将CH

3NH

3

I与PbI

2

混合旋涂

两步法：先后沉积PbI

2,然后浸泡或旋涂CH

3

NH

3

I

如平面结构

钙钛矿薄膜形貌调控(准平面结构)

形貌调控-抑制过快的晶粒生长

形成过多的

漏电通道

钙钛矿薄膜形貌调控

形成中间体，抑制结晶过程

延缓溶剂挥发速度

快速局部过饱和成核

两步旋涂法

例1：旋涂过程中滴加其它溶剂

例1：旋涂过程中滴加其它溶剂

N. J. Jeon, Nature Materials, 13, 897 (2014).

1 m

CH 3NH 3I+PbI 2→CH 3NH 3PbI 33CH 3NH 3I +PbCl 2→CH 3NH 3PbCl 3+CH 3NH 3I →CH 3NH 3PbI 3+2CH 3NH 3Cl

例2：形成其它钙钛矿中间体

S. M. Yang et al ., Science , 348, 1234 (2015).例3：形成PbI2中间体

延缓溶剂挥发速度

P. W. Liang et al, Adv. Mater. 26, 3748 (2014).

M. Xiao et al ., Angew. Chem. 126, 10056 (2014).

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快速局部过饱和成核

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M. Xiao et al ., Angew. Chem. 126, 10056 (2014).

快速局部过饱和成核

两步旋涂法

Z. Xiao et al., Energy Environ. Sci., 7, 2619 (2014).

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5 μm

5 μm

1 μm 1 μm

1 μm

1 μm 1 μm 1 μm Annealing in N2

Annealing in ambient Air

Annealing in O 2

J. B. You et al ., Appl. Phys. Lett. 105, 183902 (2014).

1 μm

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CH 3NH 3PbI 3

CH 3NH 3I+PbI 2

H 2O

其它提高钙钛矿薄膜质量方法

水辅助生长方法

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铵盐易吸水，增加其扩散，有助于薄膜生长过程中晶粒的吞并，从而形成大晶粒、无孔洞的高质量薄膜。

Precursor

Annealing in Nitrogen

Annealing in Ambient Air

可能的机制：

J. B. You et al ., Appl. Phys. Lett. 105, 183902 (2014).