《太阳能电池基础与应用》钙钛矿电池+第一部分
《太阳能电池基础与应用》GaAs电池第一讲
AM0, 30.6%
III-V族半导体多结电池
1.0带隙问题
晶格匹配电池
GaInNAs材料与N相关 的本征缺陷多，质量差， 少子扩散长度小。 短路电流小，成为限制 电池（特别是三结电池） 性能的瓶颈因素。（电流 匹配）
III-V族半导体多结电池
晶格应变电池图示
特点:
1）电池间晶格参数不再完 全匹配； 2) 解决了InGaNAs电流限 制的问题；
有隧道结
III-V族半导体多结电池
两结GaInP/GaAs电池
晶格匹配电池
第一款效率超过30%的双结电池(1 个太阳)，Japan Energy, 1997。
2013年, Alta公司将效 率提升至30.8%；柔性 电池。
目前世界纪录是31.1%，美国NREL。
III-V族半导体多结电池
晶格匹配电池
III-V族半导体应用
应用领域
GaAs及III-V族半导体基础
MOCVD
金属有机物化学气 相外延(MOCVD)， GaAs及III-V族太阳 电池的主流制备技 术。
设备原理图
商用衬底
材料制备
设备外观
多片衬底，适合大规模工业生产
GaAs及III-V族半导体基础
电学掺杂
电学掺杂
GaAs及III-V族半导体基础
EQE测量
EQE测量
Chopper EQE vs.
Monochromator equipped with more gratings
EG
单结电池只需要与标准电池(具有已知的量 子效率曲线)响应谱比较即可得到量子效率谱。
思考: 1) 双结电池的量子效率谱如何测量? 2) 三结电池呢？
无毒杂化钙钛矿太阳能电池的第一性原理研究
无毒杂化钙钛矿太阳能电池的第一性原理研究摘要：有机-无机杂化钙钛矿近几年受到世界科学家的广泛关注。
它有着高效的光电转化效率以及低成本的制备方法，属于太阳能电池领域的一颗新星。
然而大部分类似的材料都是铅基的，属于有毒物质。
在这项工作中，基于密度泛函理论计算系统地研究了无毒锡基的 CH3NH3SnI3和CH3NH3SnBr3两种钙钛矿材料的结构和电子特性。
通过计算，我们优化出来两种材料的晶体结构，得到晶格常数并完成他们的晶体模型搭建。
同时，发现它的电子特性在很大程度上取决于有机分子CH3NH3、卤原子（I和Br）。
根据计算发现，这两种材料的晶体结构会随着卤原子的改变而发生变化，同时他们的带隙也会相应的变化。
相信这两种材料有机会可以替代有毒的铅基钙钛矿太阳能电池，未来得到广泛的使用。
1.引言迄今为止，在世界各地的能源依旧依靠传统能源，例如煤炭石油。
由于这些传统能源在使用过程中会对环境造成很大的污染，因此可再生能源技术的发展对于全球的能源供应有着非常重要的作用和意义。
可再生能源里，其中最为重要的一种就是太阳能。
太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁能源一直受到广泛的关注和研究。
其中，太阳能电池就是一个很好的应用案例。
在电阳能电池的整体结构里，其中最核心的就是吸光材料。
一个优秀的吸光材料应该至少满足三个基本要求：1）合适的能带间隙；2）较高的电子-空穴分离长度；3）高的载流子迁移率。
杂化钙钛矿材料可以很好的满足这些要求。
目前为止，杂化钙钛矿太阳能电池最高的光电转换效率可以达到24%，和硅电池相媲美。
与此同时，这种材料的制备工艺非常简单廉价，一直被寄予厚望。
杂化钙钛矿材料的分子式是ABX3，其中A是甲基铵（CH3NH3）或甲脒（NH2CHNH2），B是铅Pb或锡Sn，X可以是Cl、Br、I或它们的各种组合。
目前，大部分的杂化钙钛矿太阳能电池都是铅基的。
铅是一种有毒的化学物质，它对人体和环境都有着不可逆的伤害和污染。
钙钛矿太阳能电池课件PPT
Nature 501, 395 (202X) 英国牛津大学Henry Snaith小 组，15.4%
Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells
染料敏化电池的研发方向和内容
光阳极膜性能的提高。制备电子传导率高、抑制电荷 复合的高性能多孔半导体膜，并优化膜的性能；改进 制膜的方法，使其工艺更简单、成本更低；寻找其它 可代替TiO2 的氧化物半导体。
染料敏化效果的提高。设计、合成高性能的染料分子， 并改善分子结构，提高电荷分离效率，使染料具有更 优异的吸收性能和光谱吸收范围；充分利用多种染料 的特征吸收光谱的不同，研究染料的协同敏化，拓宽 染料对太阳光的吸收光谱。
光敏层，即钙钛矿光吸收层，接受光照激发产生光电 子，注入到多孔半导体层。后来的研究发现，该光敏 层同时具有电子传输功能。
空穴传输材料，捕获空穴，代替传统染料敏化电池中 的电解液，对于制造全固态敏化电池是一个大的突破。
金属电极，即背电极，在染料敏化电池结构中相当于 对电极。
Michael Gratzel小组的最新成果
钙钛矿太阳能电池
《科学》杂志评选202X年度十大科学突 破，第3项。钙钛矿型太阳能电池: 一种 新时代的太阳能电池材料在过去的这一 年中获得了大量的关注，它们比那些传 统的硅电池要更便宜且更容易生产。钙 钛矿电池还没有像商用太阳能电池那样 有效，但它们正在快速不断地得到改善。
美国宾州大学的Andrew Rappe研究组，将钙 钛矿结构的铁电晶体用于光伏转换，提高光吸 收效率，号称转换效率可达50%以上。目前只 是材料和结构的设想，尚未制作出实际器件。
(完整版)钙钛矿太阳能电池研究综述
钙钛矿太阳能电池引言21世纪以来，人口急剧增长，能源和环境问题日益明显。
目前，人们主要消耗的是不可再生能源，例如煤、天然气、石油等化石燃料。
而未来人类还需大量的能源，故人类正在积极开发新能源。
而太阳能具有清洁、无污染、分布广并且能量充分，是目前广大科研人员的研究重点。
而光伏为开发太阳能的主要对象，主要其具有安全、清洁、成本低廉等优点。
目前，市场上主要为第一代硅基太阳能电池，大约占了90%，其余的约10%被CdTe和GIGS为代表的第二代薄膜太阳能电池所占据。
然而，硅基太阳能电池在原材料和制造上，其成本都比较高，工艺较复杂。
因此，人们正在努力开发高效率、低成本的新型太阳能电池。
如钙钛矿太阳能电池[1]。
近年来，钙钛矿太阳能电池由于光电效率高，工艺简单等一些优异性能而受到人们的广泛关注。
现如今广大研究人员正在大力研究，开发钙钛矿太阳能电池，其光电转化效率正在不断突破、提高，有可能达到甚至超过单晶硅太阳电池（25.6%）的水平。
其中钙钛矿太阳能电池的光电转化效率被证实已达到了20. 1%[2]，这项重大的成就于2013 年度，成功被Science 评选为十大科学突破之一[3]。
一钙钛矿太阳能电池的发展历程人们从十年以前就开始研究钙钛矿型结构化合物，刚开始由于其具有优异的光子传导性以及半导体特性，而被应用于薄膜晶体管和有机发光二极管中。
[4] 2009 年，Miyasaka 等[5]首先制得钙钛矿结构的太阳能电池，它主要是以CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbI3为光敏化剂。
这成功地跨出了钙钛矿太阳能电池发展的第一步，也为钙钛矿太阳能电池发展奠定了重要的基础。
2011年，Park 等[6]以CH3NH3PbI3为光敏化剂，通过改善工艺及优化原料组分比，成功制备了光电转化效率为6. 54%的钙钛矿太阳能电池，其结构和性能得到了一定的提升。
2012年，Snaith 等[7]利用CH3NH3PbI2Cl作为光吸收剂，并且将结构中的TiO2层用Al2O3层进行替代，最终电池的效率增加到10.9%。
钙钛矿太阳能电池PPT课件
岳世忠
-
1
钙钛矿
钙钛矿电池的光吸收层是一 种有机-无机杂化的材料，化学 式为 AMX3（A：CH3NH3+； M：PB2+；X：I–，BR–或 CL–）。是典型的钙钛矿 （CATIO3）晶体结构。
晶胞结构MX6构成八面体， 并相互接触，组成了三维结构， CH3NH3+嵌入其中。
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2
-
6
能级和电子转移示意图
（1）电子注入; （2）空穴注入; （3）辐射激子复合; （4）非辐射激子复合; （5）反电子转移到TIO2的表面; （6）反电子转移到HTM表面; （7）电荷复合在纳米TIO2/HTM界 面。
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7
优点
一般的带隙约为 1.5eV通过卤族 元素的替代可以 调节禁带宽度
合适的直接带 隙
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9
-
10
-
厚度为 300 nm 左 右的钙钛矿材料 便能吸收紫外到近 红外几乎所有的光
子
高的吸收系数
优良的双极输运特 性，CH3NH3PbI3中， 电子和空穴的迁移 率达到 10 cm2/(V·s)
优异的载流子 输运性能
8
高的外量子效率
PBDTTT和非晶硅AM1.5G SOLAR SPECTRA
CH3NH3PBI3 AM1.5G SOLAR SPECTRA
高电池的开路电压。
钙钛矿电池的原理，在光 照下光敏层产生激子，由 于激子束缚能较小，在材 料内部就可以发生分离， 通过电子空穴层的输运，
最后被电极收集。
-
5
光敏层中的光物理过程
光吸收产生电子空穴对，然后演变形成高 度离域的瓦尼尔激子。其中一小部分会自 发的形成自由载流子，激子和自由载流子 共存，其动态数目根据它们寿命的变化而 变化。激子的成双重组是很弱的。缺陷辅 助的重组，在些CH3NH3PBX3钙钛矿也会 被抑制。从激子猝灭产生的电子和空穴的 复合也是很微弱的。俄歇复合在这里是占 主导地位的，在高泵入激励的条件下自放 大辐射会和俄歇复合竞争。在低的光强下， 俄歇和自放大复合会受到抑制。
钙钛矿太阳能电池的发展与工作原理
钙钛矿太阳能电池的主要工作原理是光电转化。当阳光照射到钙钛矿材料上时， 钙钛矿材料吸收光能并产生电子-空穴对。这些电子-空穴对进一步被分离和传 输到电极上，形成电流。具体来说，钙钛矿材料中的金属卤化物吸收光能后产 生激子，激子通过扩散和传输到达电极，最终形成电能。
三、钙钛矿太阳能电池的制备方 法
三、钙钛矿太阳能电池研究方法
1、制备方法：溶液旋涂法是一种常见的钙钛矿太阳能电池制备方法，具有操 作简单、成本低廉等优点。通过将光敏材料溶液滴涂于导电基底上，随后进行 热处理、溶剂蒸发等步骤，形成均匀的光敏层。此外，气相沉积法也是常用的 制备方法之一，尤其适用于制备高质量的致密薄膜。激光脉冲法则具有制备速 度快、薄膜质量高等优点，但制造成本较高。
六、总结
钙钛矿太阳能电池作为一种新型光伏材料，具有较高的光电转换效率、低制造 成本和易于制备等优点，在可再生能源领域具有广泛的应用前景。然而，钙钛 矿太阳能电池也存在稳定性较差、环境污染和商业化程度低等不足。未来，需 要针对这些问题进行深入研究，提高钙钛矿太阳能电池的稳定性和环境友好性， 推动其商业化进程，为实现绿色、可持续的能源利用提供新的解决方案。
参考内容
随着人们对可再生能源的度不断提高，太阳能电池的研究与发展日显重要。在 各类太阳能电池中，钙钛矿太阳能电池因具有高光电转换效率、低制造成本等 优势而备受。本次演示将简要介绍钙钛矿太阳能电池的基本原理、研究现状、 研究方法及其主要研究成果，并展望未来的发展趋势。
一、钙钛矿太阳能电池概述
钙钛矿太阳能电池主要利用钙钛矿型光敏材料吸收太阳光并产生电流。钙钛矿 太阳能电池的基本原理是将具有特定结构与组成的光敏材料（通常为有机-无 机混合晶体）置于太阳光下，光子能量被吸收并传递至电子，形成光生电流。
钙钛矿太阳能电池原理
钙钛矿太阳能电池原理钙钛矿太阳能电池是一种新型的太阳能电池技术，具有高效率、低成本和环保等优点，因此备受关注。
在深入了解钙钛矿太阳能电池的原理之前，我们先来了解一下太阳能电池的基本原理。
太阳能电池是利用光电效应将太阳能转化为电能的一种器件。
其基本原理是当光线照射到半导体材料上时，光子会激发材料中的电子，使其跃迁到导带中，形成电子-空穴对。
这些电子-空穴对在电场的作用下分离，形成电流，从而产生电能。
这就是太阳能电池的基本工作原理。
而钙钛矿太阳能电池是基于钙钛矿材料构建的太阳能电池。
钙钛矿是一种晶体结构独特的材料，具有优异的光电性能，因此被广泛应用于太阳能电池领域。
那么，钙钛矿太阳能电池的工作原理是什么呢？钙钛矿太阳能电池的工作原理主要包括光吸收、电子传输和电荷分离三个过程。
首先，当阳光照射到钙钛矿太阳能电池上时，钙钛矿材料会吸收光子，激发内部电子，形成电子-空穴对。
接着，这些电子-空穴对会在材料内部传输，最终达到电子传输层和电子受体层。
在这个过程中，电子会被输送到电子传输层，而空穴则会留在钙钛矿材料中。
接下来，电子传输层中的电子会被输送到外部电路中，形成电流，从而产生电能。
而空穴则会在钙钛矿材料中留下，等待下一轮光照。
这样，电子和空穴被有效地分离，形成电荷分离，从而产生电能。
总的来说，钙钛矿太阳能电池的工作原理是利用钙钛矿材料吸收光子，激发电子-空穴对，然后通过电子传输和电荷分离的过程，将光能转化为电能。
这种原理使得钙钛矿太阳能电池具有高效率和良好的光电性能，成为太阳能电池领域的研究热点。
总的来说，钙钛矿太阳能电池的原理是通过光吸收、电子传输和电荷分离等过程，将太阳能转化为电能。
这种原理使得钙钛矿太阳能电池具有高效率和良好的光电性能，成为太阳能电池领域的研究热点。
希望通过本文的介绍，能让大家对钙钛矿太阳能电池的工作原理有一个更加深入的了解。
钙钛矿太阳能电池PPT课件
户外装备
钙钛矿太阳能电池还可用 于为户外装备提供电力， 如帐篷、野营灯等，为户 外活动提供便利。
在太空探测领域的应用
太空飞行器能源
钙钛矿太阳能电池具有高效能量 转换和轻量化的特点，适用于太 空飞行器的能源供应，为太空探 测任务提供稳定、可靠的能源支
持。
月球基地能源
在月球基地建设中，钙钛矿太阳 能电池可以作为可持续的能源解 决方案，为月球基地提供长期、
面临的挑战
稳定性
钙钛矿太阳能电池的稳定性问题是 目前最大的挑战之一，需要进一步 研究以提高其长期使用的可靠性。
毒性
部分钙钛矿材料可能对人体和 环境有害，需要寻找无毒或低 毒的替代品。
大面积制备
目前钙钛矿太阳能电池的大面 积制备还存在一定的技术难度 和挑战。
效率衰退
钙钛矿太阳能电池在长时间使 用后可能会出现效率衰退的问 题，需要进一步研究和解决。
项目目标
本项目旨在研发高效钙钛矿太阳能电池，实现产业化生产和应用，推动新能源技术的进步 和发展。
技术路线与实施方案
技术路线
本项目采用新型钙钛矿材料，通过材料合成、器件制备、性 能测试等技术手段，研发出高效钙钛矿太阳能电池。
实施方案
本项目分为材料合成、器件制备、性能测试、产业化生产四 个阶段。在每个阶段，我们将严格按照技术路线图进行实验 和测试，确保项目顺利实施。
低成本制造工艺
钙钛矿太阳能电池的制造工艺相对简 单，成本较低，有利于大规模生产和 应用。
02
钙钛矿太阳能电池的原理
钙钛矿的结构与性质
钙钛矿材料具有ABX3型晶体结 构，其中A为有机阳离子，B为 金属阳离子，X为卤素阴离子。
钙钛矿材料具有直接带隙半导 体特性，光吸收系数高，吸光 能力强。
《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第一章
课程大纲第一部分：基础知识第章引言第一章：引言第二章：半导体基础第三章：P-N结第四章：太阳能电池基础第二部分：传统太阳能电池第章能第五章：晶体硅太阳能电池第六章：高效III-V族化合物太阳能电池第七章：硅基薄膜太阳能电池第八章：高效薄膜太阳能电池（CIGS, CdTe）第三部分：新型太阳能电池第九章：有机太阳能电池第十章：染料敏化及钙钛矿太阳能电池第十一章：其它新型太阳能电池（量子点，中间带等）第十二章：多结太阳能电池主讲教师：（1-4 章：18学时）；82304569，xwzhang@张兴旺14章学时）xwzhang@semi ac cn尹志岗（5-7 章：14学时）；82304469，yzhg@游经碧（8-12章：22学时）；82304566，jyou@课程性质：专业选修课课程性质专业选修课课时：54课时考试类型：开卷成绩计算方式：期末考试（70%）+小组文献汇报（30%）成绩计算方式期末考试参考书目：1熊绍珍朱美芳：《太阳能电池基础与应用》科学出版社1. 熊绍珍，朱美芳：《太阳能电池基础与应用》，科学出版社，2009年2. 刘恩科，朱秉升，罗晋生：《半导体物理学》，电子工业出版社，2011年3. 白一鸣等编，《太阳电池物理基础》，机械工业出版社，2014年第一章引言太阳能的利用方式1.2太阳能资源及其分布31.114太阳电池工作原理31.3太阳电池发展历程1.4太阳电池应用与趋势31.51.6中国光伏发电的现状1973年，由于中东战争而引起的“石油禁运”，全世界发生了以石油为代表的能源危机，人类认识到常规能源的局限性、以石油为代表的“能源危机”，人类认识到常规能源的局限性有限性和不可再生性，认识到新能源对国家经济发展、社会稳定及安全的重要性。
与此同时，环境污染日益加剧、极端天气频繁出现，不断挑战着人类的忍受极限……1.1 太阳能资源：未来能源的主要形式太阳能核能地热能生物质能风能水势能清洁能源－－光伏发电太阳------物理参数太阳------地球生命之源！表度太阳------巨大的火球！表面温度：5760-6000K中心温度：1.5×107K日冕层温度：5×106K198930质量：1.989×10kg太阳每秒释放的能量：3.865×1026J，相当于132每秒燃烧1.32×1016吨标准煤的能量(世界能源消耗)3.0 ×1020joule/y=万分之一！3.0 ×1024joule/y万分之巨大潜力(照射到地面的太阳能)457亿年>50亿年我国的太阳能资源45.7亿年，>50亿年，取之不尽、用之不竭地表每年吸收太阳能17000亿吨标煤2007年一次能源26.5亿吨标煤解决能源危机特点能源取之不尽、无污染地球表面角度0.1%的太阳能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于目前世界上能耗的40倍资源丰富太阳环改善环境、保护气候无污染物废气噪音的污染特点能的境角无污染物、废气、噪音的污染1 MW并网光伏电站的年发电能力约为113万优点度并能kWh，可减排二氧化碳约191余吨相当于每年可节省标准煤约384余吨，减排粉尘约5.5吨，减排灰渣约114吨，减排二氧化硫约节能减排8.54吨。
钙太矿太阳能电池PPT课件
钙钛矿太阳能电池的工作原理
01
当太阳光照射到钙钛矿 层时，光子被吸收并产 和空穴在钙钛矿层 中通过扩散传输到异质 结界面。
在异质结界面，电子和空 穴被传输到相邻的电子传 输层和空穴传输层。
电子和空穴在传输层中被 分离，并分别收集到负极 和正极，形成光电流。
促进可持续发展
钙钛矿太阳能电池的应用 有助于推动经济、社会和 环境的可持续发展，实现 人类与自然的和谐共生。
提升能源安全
发展钙钛矿太阳能电池可 以降低一个国家对传统能 源的依赖，提升能源安全。
06
结论
钙钛矿太阳能电池的研究成果总结
高光电转换效率
低制造成本
钙钛矿太阳能电池具有较高的光电转换效 率，可达到20%以上，远高于传统硅基太 阳能电池。
THANKS
感谢观看
钙钛矿太阳能电池的效率
钙钛矿太阳能电池的效率已经 达到了25%以上，远高于传统 的硅基太阳能电池。
钙钛矿太阳能电池的效率主要 受到材料质量、界面性质、载 流子输运等因素的影响。
为了进一步提高钙钛矿太阳能 电池的效率，需要深入研究这 些因素，并采取有效的措施进 行优化。
03
钙钛矿太阳能电池的制造 工艺
大面积制备难度
目前钙钛矿太阳能电池的大规模制备 技术尚不成熟，提高大面积器件的性 能是一大挑战。
制造成本不均
虽然钙钛矿材料成本较低，但其他组 件和制造过程的成本较高，影响了整 体成本的降低。
未来的发展方向
提高稳定性
通过改进材料和优化器件结构，提高钙钛矿 太阳能电池的长期稳定性是关键。
大面积制备技术
基底选择
选择合适的导电基底，如FTO、ITO等， 确保良好的导电性和透过性。
钙钛矿太阳能电池工作原理
钙钛矿太阳能电池工作原理1、钙钛矿太阳能电池工作原理钙钛矿太阳能电池由两个有机物质组成：一种叫做钙钛矿的半导体材料，另一种是有机染料。
当太阳光照射到钙钛矿表面时，会被激发出电子，这些电子就会向有机染料中的电子空穴跃离，从而形成一种“电子-空穴对”。
这个电子-空穴对会在电路内发送电流，从而产生电能，从而实现太阳能转换为电能的目的。
钙钛矿太阳能电池的工作原理可以简单地描述如下：太阳照射到钙钛矿上，会产生一种外部电场，使钙钛矿中的电子和空穴散开，电子从钙钛矿中释放，然后被有机染料空穴所吸引，将其转化为电能。
2、电子的转移机理当太阳光照射到钙钛矿上时，会产生一种外部电场，使钙钛矿中的电子和空穴散开。
当太阳光照射在钙钛矿上，由于外部电场的存在，使得钙钛矿表面的电子被激发出来，这些释放出来的电子就会向有机染料中的空穴迁移，并在电路内发送电流，从而产生电能，从而实现太阳能转换为电能的目的。
该过程可以分为三个阶段：（1）首先，太阳光照射在钙钛矿上产生一种外部电场，使得钙钛矿表面的电子被激发出来；（2）其次，激发出来的电子会向周围的氧原子中的空穴迁移；（3）最后，电子穿过有机染料的电子空穴，形成“电子-空穴对”，这个电子-空穴对会在电路内发送电流，从而产生电能。
3、钙钛矿太阳能电池的优势a) 高效率：钙钛矿太阳能电池的效率可以达到20%，比其他太阳能电池的效率要高。
b) 光伏效应强：钙钛矿太阳能电池具有较强的光伏效应，即可以从弱光中获取较多的电能。
c) 低成本：钙钛矿太阳能电池的原料价格便宜，而且生产过程中不需要复杂的设备，使得钙钛矿太阳能电池的成本较低。
d) 环保：钙钛矿太阳能电池在使用过程中不会产生任何有害物质，无污染，是绿色环保的可再生能源。
4、缺点a) 效率低：钙钛矿太阳能电池的效率一般在10%~20%之间，远低于其他太阳能电池，因此不能满足大规模应用的需要。
b) 劣质染料：由于染料的质量问题，钙钛矿太阳能电池的性能往往不稳定，不易控制，因此可能会影响太阳能电池的效率和使用寿命。
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
《太阳能电池基础与应用》CIGS电池
电池效率表CuInSe2(CIS)：黄铜矿结构，高温时为闪锌矿结构；Cu(In,Ga)Se2(CIGS):通常最佳组分比Ga/(In+Ga)约为0.3。
CIS与CIGS结构CIS与CIGS光学性质制备方法:三步共蒸法三步共蒸法可形成Ga组分的双梯度分布；Cu、Se组分分布均匀；晶粒大，致密，呈柱状生长。
制备方法:后硒化法后硒化法易于精确控制化学计量比,对设备要求不高,产业化的首选工艺;Ga组分分布较难控制,很难形成双梯度组分分布结构；有时在表面用S代Se，形成宽带隙Cu(In,Ga)S2，以降低器件表面复合。
思考:（1）为什么需要CdS层？（2）i-ZnO层有必要吗？自反型异质结Mo背接触层；CIGS层；背光面：p型受光面：n型CdS缓冲层；ZnO窗口层(i+n)。
CIGS电池结构减反通常用MgF 2Ga/(In+Ga) 0.26 to 0.31CIGS电池效率发展趋势CIGS电池实验室效率快速增长，目前已达21.7%，超过多晶硅电池。
低成本工艺取得突破，柔性衬底CIGS电池效率高达20.4%。
CIGS电池成本变化趋势CIGS电池组件、BOS成本持续稳步下降，目前已经可以和晶硅电池竞争。
CIGS电池市场CIGS电池市场份额稳步提升，未来竞争力持续看好。
温度系数小室外工作特性较商用Si电池优异，应用前景更好！抗辐照能力强抗辐照性能远优于其它类型的太阳电池；空间应用前景好。
单片集成单片集成,相对于晶Si电池有巨大优势,有利于降低组件成本。
组件效率记录:16.5%,台湾TSMC。
能量损失机制（1）电极遮光损失；（2）反射损失；（3）ZnO窗口层吸收损失；（4）CdS缓冲层吸收损失；（5）CIGS带隙附近吸收不充分；（6）CIGS复合损失。
导带带阶(band offset)ΔE C略大于0非常有必要Ga组分双梯度提供背电场，抑制背面少子复合，减少电池点穴损失；优化光谱匹配，提高电池开压。
表面、晶界贫Cu对电池结构而言，表面贫Cu可形成自反型结构——形成pn结的前提；对材料（吸收层）而言，晶界贫Cu造成能带向下弯曲，空穴的天然势垒——抑制晶界复合；SKM及CAFM的实验证据（AM, 2015）。
《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第一章
年可节省标准煤约384余吨，减排粉尘约5.5
吨，减排灰渣约114吨，减排二氧化硫约
8.54吨。
1.1 太阳能资源
世界化石燃料的不断消耗
发展可再生替代能源
2100年64％
太阳能在未来能源结构中占主导地位！
1.1 太阳能资源
世界太阳能资源分布
地球上太阳能资源的分 布与各地的纬度、海拔 高度、地理状况、气候 条件等密切相关。
多晶硅 47.7% 单晶硅 38.3% 非晶硅 5.1% 带硅 1.5% CdTe 6.4% CIGS等 1.0%
中国光伏发展报告
Where is PV？
1.5 太阳电池应用与趋势
太阳电池在太空的应用----飞船的翅膀
哈勃望远镜
两个长11.8米，宽2.3米，能提供2.4千瓦 功率的太阳电池帆板，两个与地面通讯用 的抛物面天线。镜筒的前部是光学部分， 后部是一个环形舱，在这个舱里面，望远 镜主镜的焦平面上安放着一组科学仪器； 太阳电池帆板和天线从筒的中间部分伸出。
1.5 太阳电池应用与趋势
光伏建筑一体化是国际发展主流方向
尚德光伏研发中心
1.5 太阳电池应用与趋势
德国，遮阳挡雨，14.2 kW
德国，光伏走廊10 kW
1.5 太阳电池应用与趋势
荷兰，装饰性光伏屋顶
意大利，外墙装饰，21 kW
1.5 太阳电池应用与趋势
（1）光电转换效率逐步提高、新概念太阳电池不断涌现
主讲教师：
张兴旺 （1-4 章：18学时）；82304569，xwzhang@ 尹志岗 （5-7 章：14学时）；82304469，yzhg@ 游经碧 （8-12章：22学时）；82304566，jyou@
课程性质：专业选修课 课时：54课时 考试类型：开卷 成绩计算方式：期末考试 （70%）+小组文献汇报 （30%）
《太阳能电池基础与应用》有机太阳能电池基本理论知识-第一部分
材料设计 电荷分离与传输
界面工程 形貌优化
三元体系 叠层结构
L. Y. Lu and L. P. Yu et al., Chem. Rev., 115,12666 (2015).
39
Thanks for your attention!
40
HTL (PEDOT:PSS) ITO/Glass
能级排布
电子
给体 受体
ITO PEDOT:PSS 空穴 阳极
Ca Al 阴极
p‐型传输层: PEDOT:PSS, MoO3, V2O5 and NiO et al. n‐型传输层: ZnO, TiO2, polyeltr 反型结构较正型结构具有更好的稳定性。
超快光谱分析， 超快电荷转移
Light Dark
Light Dark
ITO/MEH‐PPV:PC61BM/Al 2.9% PCE
ITO/MEH‐PPV/Al ~0.02% PCE
G. Yu et al., Science, 270, 1789 (1995).
29
体异质结太阳能电池概念的提出
体异质结能够高效地实现激子的分离。
Tang, C. W.; Vanslyke, S. A. (1987). "Organic electroluminescent diodes". Applied Physics Letters 51 (12): 913.
23
有机发光二极管的应用
24
有机太阳能电池的研究历史
肖特基结太阳能电池 Al, Mg, Ca
16
有机半导体导电机制
电荷在有机半导体材料中的传输
17
典型有机半导体
典型的π-共轭的小分子和聚合物
钙钛矿电池的结构
钙钛矿电池的结构钙钛矿电池（perovskite solar cell）是一种新型的太阳能电池技术，以其高效率和低成本的特点而备受关注。
它的结构主要由五个主要组成部分构成：透明导电玻璃/导电基底、电子传输材料、钙钛矿光敏材料、空穴传输材料和金属电极。
1.透明导电玻璃/导电基底：透明导电玻璃或导电基底是钙钛矿电池的底部，用于支撑整个光电器件。
它通常由氧化锌或氧化铟锡材料制成，具有良好的导电性和透明性，能够使光线透过并到达电池内部。
2.电子传输材料：电子传输材料（ETM）位于导电基底和钙钛矿光敏材料之间，主要负责将光生电子从光敏材料传输到电极。
常见的ETM材料包括二氧化钛、锡酸盐等。
ETM的选择对电池的性能有重要影响，常用的ETM需要具备良好的导电性、光学透明性以及与钙钛矿光敏材料的能级匹配。
3.钙钛矿光敏材料：钙钛矿光敏材料是钙钛矿电池的核心部分，能够将太阳光转化为电能。
最常用的钙钛矿光敏材料是甲酰胺铅（CH3NH3PbI3）晶体结构的材料。
它具有优异的光吸收能力、高载流子迁移率和长寿命等特点，使得钙钛矿电池在高效能量转化方面具有巨大潜力。
4.空穴传输材料：空穴传输材料（HTM）位于钙钛矿光敏材料和金属电极之间，起到传输光生空穴的作用。
常见的HTM材料有聚合物、有机小分子等。
与ETM类似，HTM材料的选择也需要具备良好的导电性、光学透明性以及与钙钛矿光敏材料的能级匹配。
5.金属电极：金属电极位于空穴传输材料的顶部，作为电子和空穴的收集和输送通道。
常用的金属电极材料包括银、金、铝等。
金属电极需要具备良好的导电性和光学反射性，以提高电池的输出电流和光吸收效率。
综上所述，钙钛矿电池的结构包括透明导电玻璃/导电基底、电子传输材料、钙钛矿光敏材料、空穴传输材料和金属电极。
这些组成部分相互配合，使钙钛矿电池能够高效地将太阳能转化为电能，具有广阔的应用前景。
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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).
32
快速局部过饱和成核
33
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).
34
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
35
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
36
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).
1
m
J. B. You et al ., Appl. Phys. Lett. 105, 183902 (2014).
37
器件性能
38
载流子寿命增加
反向饱和电流
(J0)减小
J. B. You et al., Appl. Phys. Lett. 105, 183902 (2014).
薄膜晶体质量提高 复合减小
39
其它提高钙钛矿薄膜质量方法
溶剂退火方法
Z. Xiao et al., Adv. Mater. 2014, 26, 6503–6509
40
溶剂退火方法
Z. Xiao et al., Adv. Mater. 2014, 26, 6503–6509
41
Jsc = 21.5 mA/cm 2Voc = 1.07 V FF = 0.68η
= 15.4%
其它提高钙钛矿薄膜质量方法
蒸镀方法
Z. M. Liu et al.,Nature (2013)doi:10.1038/nature12509
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42。