钙钛矿型太阳能电池研究进展

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题目：钙钛矿型太阳能电池研究进展

姓名郭天凯

学号2012437019

年级专业2012应用物理

指导教师

2014年7月11日

摘要：近年来，为了解决日益严峻的能源和环境问题，人们把目光投向了新能源的开发和利用上。在各种新能源技术中，光伏发电无疑是最具有前景的方向之一。传统的硅基太阳能电池虽然实现了产业化，有着较为成熟的市

场，但其性价比还无法与传统能源相竞争，并且制造过程中的污染和能耗问题影响了其广泛应用。因此，研究和发展高效率、低成本的新型太阳能电池十分必要。在众多的新型太阳能电池里，钙钛矿薄膜太阳能电池近两年脱颖而出，吸引了众多科研工作者的关注，还被《Science》评选为2013年十大科学突破之一。钙钛矿薄膜太阳能电池的光电转化效率在5年的时间内从3.8%迅速提高到经过认证的16.2%（截止到2013年底），把染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池等新型薄膜太阳电池甩在了身后。

关键词：钙钛矿太阳能电池，研究领域，前沿科技，发展态势

一、钛矿太阳电池技术研究领域的定义及其重要性

1、钛矿太阳电池技术研究领域的定义

钙钛矿太阳电池是以具有钙钛矿结构的有机-金属卤化物（简称：钙钛矿）等作为核心光吸收、光电转换、光生载流子输运材料的太阳电池。

钙钛矿太阳电池技术研究领域是指有关钙钛矿太阳电池的工作机理、结构、特性、核心制备工艺与关键产业化生产工艺、应用研究等。

钙钛矿太阳电池所采用的这种具有钙钛矿结构的有机-金属卤化物光吸

收体具有良好的光吸收、光电转换特性以及优异的光生载流子输运特性，其电子与空穴扩散长度均可超过1000 nm。因而采用这种新型光电转换材料的钙钛矿太阳电池具有特别优异的光电转换特性，目前实验室样品光电转换效率已高达16.2%。

目前钙钛矿太阳电池的构造通常采用体相异质结结构、平面异质结结构和无空穴输运材料异质结结构等。

钙钛矿太阳电池的实验室制备工艺通常采用液相沉积工艺、气相沉积工艺以及液相/气相混合沉积工艺。

基于上述简洁的构造、方便的制备工艺和优异的光电转换性能，钙钛矿太阳电池因而有望成为具有高效率、低成本、柔性、全固态等优点的新一代太阳电池。

钙钛矿太阳电池的大规模产业化生产将可采用卷对卷湿法涂覆、可打印印刷技术和干法等离子体增强沉积技术等。

钙钛矿太阳电池具有光明的应用前景和宽广的应用范围，特别适用于建筑光伏一体化（BIPV）、偏远地区分布式发电电站、家庭式发电电站、移动（室内、便携式）电子产品、艺术装饰品等应用。

2、钛矿太阳电池技术研究领域的重要性

能源是社会和经济发展的重要基础条件，迄今为止人类社会发展仍然主要依赖于化石能源。但化石能源在地球上的分布极不均衡，并且终究会枯竭。另外燃烧化石能源带来的环境污染、雾霾气候和温室效应严重威胁人类社会的可持续发展。太阳电池能够利用太阳能直接转化为电能，可以为人类社会发展提供取之不尽用之不竭的清洁能源，是人类社会应对能源危机，解决环境问题，寻求可持续发展的重要对策。

经过长期的研究与发展，目前单晶硅基太阳电池技术已经比较成熟。但单晶硅基太阳电池存在生产成本高、生产过程能量消耗大、环境污染严重、

成本回收时间长等问题。因此，人们还在不断地探索开发更廉价的高效太阳电池技术。经过多年的发展，基于CuInGaSe、CdTe、多晶硅、非晶硅等材料的薄膜太阳电池技术已经取得了长足的进步。但这些电池技术仍然存在这样那样的不足，例如CuInGaSe薄膜电池需要使用地壳中非常匮乏的元素In和Ga，不利于这种电池的大规模持续应用，而CdTe中含有重金属元素Cd，会造成环境污染问题。为此，探索高效、廉价、环保的新型太阳电池技术的努力仍在继续，新兴的太阳电池技术不断涌现，包括染料敏化太阳电池、有机太阳电池和量子点太阳电池等。

2009年，日本Miyasaka等人在研究敏化太阳电池的过程中，首次使用具有钙钛矿结构的有机金属卤化物CH3NH3PbBr3 和CH3NH3PbI3作为敏化剂，拉开了钙钛矿太阳电池研究的序幕。在随后短短的几年时间内，钙钛矿太阳电池技术取得了突飞猛进的进展，能量转换效率已经超过了染料敏化太阳电池、有机太阳电池和量子点太阳电池。2014年第一期英国《自然（NATURE）》周刊甚至预计今年钙钛矿太阳电池的能量转换效率会达到20%，也就是达到目前技术已经比较成熟的CuInGaSe薄膜太阳电池的水平，从而为钙钛矿太阳电池的产业化发展指明方向。

钙钛矿太阳电池不仅具有较高的能量转换效率，而且其核心光电转换材料具有廉价、可溶液制备的特点，便于采用不需要真空条件的卷对卷技术制备，这为钙钛矿太阳电池的大规模、低成本制造提供可能。不仅如此，钙钛矿太阳电池还可以制备在柔性衬底上，便于应用在各种柔性电子产品中，例如可穿戴的电子设备、折叠式军用帐篷等。与染料敏化太阳电池相比，钙钛矿太阳电池不需要液体电解质，不用担心太阳电池的漏液问题。与有机光伏器件相比，钙钛矿太阳电池的核心光电转换材料是有机-无机杂化材料，材料的耐候性可能会优于有机光伏器件中使用的有机半导体材料。这些优点可能会使钙钛矿太阳电池在实际使用中具有比染料敏化太阳电池和有机光伏器件更好的性能稳定性和更长的使用寿命。基于上述原因，钙钛矿太阳电池具有非常光明的产业化前景，是现有商业太阳电池最有潜力的竞争者。因此，积极开展钙钛矿太阳电池研究对于抢占太阳电池行业发展的先机，促进太阳电池技术的升级换代具有重要意义。从更高的层次上讲，开展钙钛矿太阳电池研究，推动钙钛矿电池的产业化，将使人类更廉价、更方便地获得取之不尽、用之不竭的清洁能源，对于整个人类社会和经济的可持续发展、提高绿色GDP、治污防霾都具有重要意义。

二、矿太阳电池技术研究领域世界前沿科技发展态势

近四年来，钙钛矿太阳电池得到了迅速发展，其光电转换效率由最初的3.8%发展到了16.2%的水平。同时，电池器件在低温制备及柔性化方面也取得了较大进展。

在2009年，具有钙钛矿结构的有机铅卤化物首次作为光吸收材料被用于液态电解质染料敏化太阳电池。由于钙钛矿吸光层在液态电解质中稳定性差，仅得到3.8%左右的光电转换效率。此后，通过进一步优化光阳极介孔薄膜的