钙钛矿太阳能电池的研究进展
钙钛矿太阳能电池稳定性研究进展
钙钛矿太阳能电池稳定性研究进展刘文兵;李亮;刘桂成;王新东【摘要】In recent years, organic-inorganic hybrid perovskite solar cell (PSC) has become a highlight in the field of photovoltaic materials. As a new type of solar cell, the perovskite solar cell has been widely concerned by scientists all around the world. Recently, the power conversion efficiency (PCE) of PSC has been promoted to more than 21 % in laboratory. As is known to all, the poor stability of high efficiency devices is a stumbling block to the industrialization, and the research on how to improve the stability of perovskite solar cells has increased in recent years. This paper summarized the stability of the latest progress from perovskite as the absorbing light material was introduced into the solar cell research, focusing on two aspects about stability of material and device interface composition of perovskite solar cell. The interface stability of the whole cell was described with the stability of the physical and chemical properties of the CH3NH3PbI3 as the object. At last, the development course of perovskite solar cell was reviewed, and the stability of perovskite solar cell was summarized and the development direction of this field was also proposed from the point of view of practical application.%近几年,基于有机-无机杂化的钙钛矿太阳能电池成为光伏材料领域的研究热点.同时作为新型太阳能电池,钙钛矿太阳能电池受到科学家的广泛关注.目前在实验室制备的电池能量转换效率已经超过21%.但是此类太阳能电池的稳定性存在很大问题,如果不能得到有效解决,必然会阻碍其产业化的进程.这几年关于如何提升钙钛矿太阳能电池稳定性方面的研究不断增多.文章归纳关于钙钛矿太阳能电池稳定性方面研究的最新进展.以CH3NH3PbI3为对象,对其物理、化学方面的稳定性问题以及整个电池器件内各层之间存在的界面稳定性问题进行阐述.最后回顾钙钛矿太阳能电池发展历程,对钙钛矿太阳能电池稳定性问题进行总结并从实际应用角度展望未来该领域的发展方向.【期刊名称】《有色金属科学与工程》【年(卷),期】2017(008)002【总页数】12页(P31-42)【关键词】光伏材料;能量转换效率;稳定性;CH3NH3PbI3;界面【作者】刘文兵;李亮;刘桂成;王新东【作者单位】北京科技大学冶金与生态工程学院,北京 100083;北京科技大学冶金与生态工程学院,北京 100083;北京科技大学冶金与生态工程学院,北京 100083;北京科技大学冶金与生态工程学院,北京 100083【正文语种】中文【中图分类】TM914.4无论是从化石能源的远景储量考虑还是从其消耗过程中引起产生的环境污染问题考虑，化石能源都不能满足人类未来可持续发展的需要．因此不断探索和开发清洁可再生能源成为世界各国应对传统能源问题的必然选择．目前，我国在水电、风能、太阳能等可再生能源方面得到了长足的发展，并成为国家能源结构中重要的组成部分．太阳能是最清洁、最廉价的能源形式，如何更有效、廉价的将太阳能转换成电能成为当前光伏领域的研究热点．最近几十年，各种材料的太阳能电池不断涌现．图1所示为钙钛矿太阳能电池的效率的发展趋势[1]．虽然太阳能电池发展不断壮大，但是，作为第一代太阳能电池的晶体硅电池，以其高效、长寿命等优势仍占据当前光伏应用市场中主导地位．然而在过去的几年，一种以金属有机卤化物作为吸光材料的钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells，PSC），由于其制备工艺简便、成本低、光电转换效率高等优点而迅速成为光伏领域的研究热点，也成为继DSSCs、OPV等第3代太阳能电池家族之后的又一新成员．尽管钙钛矿太阳能电池经过这几年的研究，电池效率已经超过21%[1]，但是稳定性逐步成为钙钛矿太阳能电池走向商业化的绊脚石，目前关于电池稳定性的影响因素和控制条件还有待进一步的认识．下面简要介绍钙钛矿材料的结构和光电性质，从器件材料和界面出发，重点综述有关钙钛矿太阳能电池稳定性最新的研究进展，并对PSC未来的发展进行展望．2009年日本Miyasaka等[2]首次将有机-无机卤化铅钙钛矿材料CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbI3作为敏化剂引入染料敏化太阳能电池，并分别获得了3．13%、3．81%的转换效率，自此拉开人们对钙钛矿太阳能电池研究的序幕．2011年，Park等[3]以 CH3NH3PbI3为光敏化剂制备量子点敏化太阳能电池，取得当时同类电池的最高效率——6．54%．随着对钙钛矿太阳能电池结构和材料性能的进一步优化研究，2012年，Park与Gra¨tzel[4]课题组合作，利用CH3NH3PbI3作为敏化剂，Spiro-OMeTAD(2，2'，7，7'-四［N，N'-二(4-甲氧基苯基)氨基］-9，9'螺二芴)作为空穴收集材料，制备出光电转换效率达到9．7%的全固态太阳能电池．随着效率的不断提升，钙钛矿太阳能电池逐渐吸引更多科研人员的注意力．2013年，Gra¨tzel等[5]通过两步连续沉积法制得效率高达15%的钙钛矿太阳能电池．这一成果对钙钛矿太阳能电池的发展来说无疑是具有里程碑意义的，造就了当前钙钛矿太阳能电池火热的研究局面．2014年，Zhou等[6]通过对TiO2的掺杂，优化载流子传输路径，最后获得19．3%的最高效率，对应的开路电压1．13 V，短路电流22．75 mA/cm2，填充因子75．01%．令人兴奋的是，钙钛矿太阳能电池的PCE现在已经突破21%，并向着超越单晶硅太阳能电池效率的方向迈进．短短六七年时间，钙钛矿太阳能电池能以大步伐走向高效太阳能电池行列，得益于钙钛矿材料（以CH3NH3PbI3说明）材料本身和对制备工艺的不断优化．这几年钙钛矿太阳能电池获得了很大的发展，关于钙钛矿太阳能电池的材料和制备方法层出不穷，电池效率也不断被刷新．但是这类电池还存在很多问题亟待解决，比如稳定性、金属Pb的毒性问题、取代使用或回收的问题[7-9]．目前钙钛矿太阳能电池的寿命还达不到商业化要求，电池的衰退机理还不是十分明朗，因此总结分析器件稳定性问题，探索新材料、优化制备工艺将是下一步为实现电池器件在大气环境长期稳定工作的主要任务．1.1 钙钛矿太阳能电池制备钙钛矿太阳能电池发展到今天，核心部分钙钛矿材料的溶液合成方法不断优化．总得来说，目前主流的合成方法根据合成所需步骤可分为2类：一步法和二步法．钙钛矿太阳能电池的基本制备流程如下[10]：将FTO(Fluorine-doped tin oxide)导电玻璃分切为需要的尺寸，在去离子水、丙酮等溶液中超声清洗，吹干后备用；在玻璃基底导电面上旋涂一层TiO2，然后经过450～500℃退火处理得到TiO2晶体薄膜，作为电池的电子传输层；接着在TiO2上制备如CH3NH3PbIx(Brx)形式的钙钛矿材料；然后制备一层如Spiro-OMeTAD的材料，作为电池的空穴传输层；最后用热蒸发法沉积一层银或者金作为电池背电极．根据有无介孔材料将钙钛矿太阳能电池分为平面异质结和介孔型结构2种目前比较典型的器件类型，如图2[11]所示．1.2 典型钙钛矿型CH3NH3PbI3的晶体结构与光电性能钙钛矿是以俄罗斯矿物学家Perovski名字命名的，最初是指CaTiO3，后来经过不断发现和合成了更多相同结构的物质，便将结构形如ABX3的晶体材料统称为钙钛矿，CH3NH3PbI3就是其中之一．钙钛矿基本结构示意见图3[12]，其中，A位对应CH3NH+3，B位对应Pb2+，X位对应I-．金属阳离子Pb2+和卤素阴离子I-在空间形成以Pb为中心I为角的PbI6正八面体结构，这些正八面体结构在三维空间中通过I延伸，而有机基团CH3NH+3就位于这些八面体之间的空隙当中．钙钛矿晶体结构的稳定性可以通过容忍因子t进行初步判断，，其中rA和rB 分别是正八面体结构中阳离子A和B的离子半径，rX是阴离子半径．一般来说，若要形成稳定的钙钛矿结构，t的取值需要在0．78～1．05之间．但是当0．8＜t＜0．9时，钙钛矿的稳定性存在争议[13]．所以只用t来判断钙钛矿的稳定性不准确，因此八面体因子μ也被引入到对钙钛矿稳定性的预测中，其中μ=rB/rX．可以通过引入不同的A、B、X组分来调节t、μ获得比较稳定的钙钛矿吸光材料．另外不同A、B、X组成导致钙钛矿吸光材料具有不同的光电性能．这几年对CH3NH3PbI3的研究发现，其具有电子、空穴双传导的特性，禁带宽度1．55 eV，通过Cl/Br的引入可以调节禁带宽度基本能实现对可见光范围内光谱的全部吸收[14]．CH3NH3PbI3的电子扩散长度在105 nm左右，空穴扩散长度在129 nm左右，通过引入Cl之后，CH3NH3PbI3-xClx的电子和空穴扩散长度比CH3NH3PbI3提高近十倍，相应的电子和空穴平均扩散长度分别为1 069 nm 和1 213 nm左右[15]．较长的扩散长度有利于载流子在器件中的传输，降低电子-空穴的复合几率，这也是有机-无机杂化钙钛矿具有优良光电性能的原因之一．良好的稳定性（长寿命）是钙钛矿太阳能电池实现商业化生产的前提条件．目前在实验室条件下制备的钙钛矿太阳能电池的效率已经突破21%[1]，因此探索如何实现电池在实际应用环境下的长期平稳运行是当前关于钙钛矿太阳能电池研究的重点．钙钛矿太阳能电池的稳定性包括电池器件各材料自身的稳定性[16-27]，主要是材料物理稳定性和化学稳定性以及电池界面的稳定性，其中以钙钛矿材料的稳定性为主要部分．对稳定性机理进行系统的研究十分必要．经过近几年的研究发现，光、热、氧、水等因素对钙钛矿稳定性都有不同程度的影响，但是它们协同对钙钛矿电池的影响本质还不是很清晰．文中从材料稳定性和界面稳定性出发，综述当前关于PSC稳定性的机理研究和应对器件退化采取的控制方法．2.1 材料稳定性钙钛矿太阳能电池主要由玻璃基底FTO、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、对电极等5个部分组成．其中钙钛矿材料是钙钛矿太阳能电池的核心，钙钛矿材料的质量很大程上决定电池器件的性能，下面主要从4个方面就钙钛矿材料的稳定性问题进行综述．2.1.1 热稳定性任何应用性材料都有它的使用温度范围，温度过高必然导致材料结构变化，性能失效，最后失去使用价值．基于有机-无机杂化的卤化铅钙钛矿材料也有其稳定性存在的温度范围．因此探索钙钛矿材料物理稳定性原因和随温度变化规律对钙钛矿太阳能电池器件的研究非常重要．相比于在高温下能稳定存在的CaTiO3，同样作为离子晶体的CH3NH3PbI3材料，其分解温度却非常低．为研究 CH3NH3PbI3热稳定性机理，Stoumpos等[28]在流动的氮气环境中对其进行热重分析．当温度达到300℃左右时，初始钙钛矿物质质量开始明显减少，而且分解过程与其合成过程存在一定联系．但是仅通过热重测试还不能完全用于解释钙钛矿材料的稳定性问题．后来Bertrand Philippe等[29]对空气和湿度进行严格控制，在超真空环境下对钙钛矿材料试样进行加热处理．当钙钛矿材料被加热到100℃后保温20 min，之后再加热到200℃保温20 min，结果显示钙钛矿材料中的I/Pb和N/Pb比分别由最初的2．9和0．9（均分别低于理论值的3和1），变为2．0和0，如图4左边所示[29]．这直接说明材料在经过上述操作后基本完全分解．可能发生的反应如下式：为了能更直接的解释钙钛矿材料热稳定性问题，Bert Conings等[30]先从理论上对钙钛矿结构进行计算．指出在85℃下，钙钛矿材料会随着时间延长不断分解．接着又从实验设计角度对钙钛矿的稳定性进行研究，结果表明在干燥氮气、干燥氧气和一般环境（相对湿度50%）3种不同情况下85℃保温24 h，SEM如图5所示[30]．从图5可以看出，相对于初始的形貌，在85℃干燥氮气环境中保温24 h后，钙钛矿表面出现部分粒状结构；在干燥氧气环境中经过同样处理后，钙钛矿表面类似结构明显增多；在相对湿度50%的环境中经过同样处理后，发现钙钛矿表面基本布满类似结构．后来经过XRD、XPS等分析，钙钛矿材料在85℃条件下的不同环境中有不同程度的分解，从形貌图看出钙钛矿材料表面出现新相物质．最近，Leong等[31]研究了钙钛矿电池器件性能在80～360 K温度范围内的变化情况．当温度低于330 K时，电池效率略有增加，之后当温度处在330～360 K时出现下降．在低温阶段（T＜250 K），开路电压Voc保持在1．0～1．1 V之间，而在较高温度（T＜360 K）范围，开路电压Voc随温度上升呈直线下降趋势，通过对电池效率和开路电压的测量，间接说明随着温度的变化，电池内部材料结构发生变化，导致性能下降．不同的研究人员从不同的角度对钙钛矿材料的耐热性进行分析，结论各有偏差，可能与实验设计和所处环境不同有关．但是最后结果都说明钙钛矿材料不能在高温环境下稳定存在．作为电池的应用，器件材料只需要在实际的气象环境中能长期稳定不分解．因此研究关于器件在低温（-40℃）和高温（如80℃下）环境下的光电性能稳定性的变化意义很大，借助原位的检测手段可以准确分析钙钛矿材料在不同环境下结构和形貌的变化，归纳其热稳定性规律．CH3NH3PbI3的热稳定性取决于其晶体结构即晶体内各原子及原子基团之间的相关作用力．为了提高钙钛矿太阳能电池的热稳定性，已经出现很多策略来优化基于CH3NH3PbI3钙钛矿太阳能电池的热稳定性. Snaith等[32]利用聚合物官能化的单壁碳纳米管（SWNTs）嵌入绝缘聚合物基体后作为电池空穴传输材料，组装电池后发现器件热稳定性得到很大提升，同时器件对水的防御能力也增强很多.2.1.2 水稳定性近年来的研究发现，水 (气态水和液态水)对钙钛矿材料的分解有很大作用.尽管关于如何强化钙钛矿太阳能电池器件水稳定性的方法不断增多，但是关于水对钙钛矿材料的影响机理却还没有得到一致认同.因此为了应对钙钛矿电池对环境苛刻性，目前器件的制备过程基本在手套箱内完成.制约了钙钛矿太阳能电池商业化应用进程.水对钙钛矿电池器件有哪些影响？Kamat等[33]从吸光性能、形貌、晶体结构以及激子状态角度出发对钙钛矿在潮湿环境下进行了深入研究.吸收光谱测试显示钙钛矿材料的光电性能（图6（a））在相对湿度90%环境中随时间的延长下降显著.通过SEM(图6（b）,（c）)观察表面钙钛矿微观结构发生改变[33].最近Kelly等[34]也进行了类似的工作．通过严格控制电池器件的环境湿度，利用原位吸收光谱和掠入X射线衍射（GIXRD）实时监测钙钛矿晶体结构的变化．钙钛矿长时间暴露在湿气环境后，起初760 nm的吸收光谱变得不再明显，反而显示出类似PbI2的吸收光谱,见图7（a）[34]．为了更好的量化钙钛矿的分解速率，研究410 nm吸收谱与时间的关系，并且与3种不同相对湿度（80%、50%、20%）情况下的标准数据进行对比，见图7（b）[34]．从上面的2组结果可以看出，湿度对电池性能的影响是致命的．不能解决水对电池器件的影响也就失去其实际应用的可能性．那么水是如何引起钙钛矿材料分解的？最近Aurelien M．A．Leguy等[35]结合时间-分辨椭圆光度法和XRD测试对钙钛矿分别以膜材料、晶体材料、电池器件3种不同形式与水作用的可逆性机理进行系统的研究．首先对钙钛矿单晶进行水合机理的研究，经过在相对湿度70%环境中放置60 h后，测得材料带宽从1．6 eV变为3．1 eV．XRD结果发现单晶钙钛矿材料转变成CH3NH3PbI3·H2O．接着对钙钛矿薄膜多晶材料进行类似的研究，发现在相对湿度80%中放置0．5～1．0 h后，XRD显示钙钛矿材料表面生成上述一水合钙钛矿，2．0 h后显示有二水合钙钛矿存在．因此他们根据水合物随时间的形成过程，推测可能存在下面反应：其中CH3NH3PbI3·H2O作为中间产物，很容易发生可逆反应脱水变为钙钛矿．但是当水含量达到一定值后，CH3NH3PbI3·H2O很容易发生分解生成不可逆反应生成CH3NH+3，可能存在的表达式如下：后来Huang等[36]利用XPS、SEM、XRD检测手段更进一步分析钙钛矿的分解过程．结合实验结果，得出下面钙钛矿在潮湿环境下可能存在的一系列反应：这与先前的研究存在一定差异，钙钛矿的分解出现铅的氧化物和碳酸盐．同时说明钙钛矿材料受外界条件影响分解的复杂性，适当的水含量对于钙钛矿的影响是可以忽略的，但是过高的水含量会直接引起钙钛矿不可逆的分解．为了有效应对水对电池器件的影响，最近Kijung Yong等[37]利用聚四氟乙烯疏水材料覆盖在钙钛矿材料表面，制备出的电池表现出良好的抗水性．图8[37]展示对比聚合物存在与否水分子进入钙钛矿的示意图和接触角大小．表面经过聚四氟乙烯处理后的电池器件的稳定性得到很好的提升，30 d后电池仍能保持初始效率的90%．水不可避免的存在与水对电池器件的显著影响这对矛盾的有效解决还是在于寻找到能够像已经产业化的太阳能电池材料对水的抵抗策略，当前对钙钛矿材料的钝化处理和对整个器件的封装都表明对提高电池的稳定性是至关重要.毫无疑问，水对钙钛矿材料的影响确实存在，对于水与钙钛矿电池器件的作用机理以及对水的预防研究方面已经取得一定成果，但是为什么钙钛矿材料如此容易与水反应的机理还没有从最基本的理论上给出解释，包括钙钛矿材料自身的结构特点以及与水的作用变化关系等.可以说明的是，对电池器件进行一定的封装还是可以大幅度提高钙钛矿太阳能电池对水的不稳定性.另外，钙钛矿材料与外界小分子（H2O、O2）之间相互作用的研究可以考虑采用原子示踪的方法分析其在器件中的演变历程，进行更加科学严谨，有针对性的进行实验来解释其是如何与钙钛矿材料作用的.作为太阳能电池，自然要在太阳能光照下工作.但是随着钙钛矿太阳能电池的发展，关于其在光照下的不稳定性问题也在跟进研究.高效器件中必不可少的一部分——电子传输层，常用的是金属氧化物TiO2.由于TiO2的光催化特性[38-39]，吸附在TiO2层上的水/氧在紫光照射下会被氧化成超氧负离子和氢氧自由基，这些生成的超氧离子能迅速地使钙钛矿层发生分解[40].因此未来可能商业化的钙钛矿太阳能电池在一般大气环境中的使用必须是稳定的.这就意味着电池器件不能因为环境中的水、氧的存在快速退化.以往的许多用于光伏的半导体材料在氧的存在下很容易被氧化，即使是在基态比较稳定的材料，处于激发态时便很容易与氧反应的，光照和高温条件则能加速材料氧化.Park和Snaith等[41]最开始的研究表明，钙钛矿电池器件在干燥空气中能长时间稳定.这也说明对于材料本身而言是不易与氧反应的，但是在光照和水、加热情况下，氧便开始起作用.在钙钛矿电池器件中，TiO2一般被作为致密层和介孔层.由于TiO2的带隙在3.2 eV左右，往往被用作光催化剂.因此基于TiO2作为电子传输层的钙钛矿器件在光照下很容易引起钙钛矿材料的一系列反应.为了抑制TiO2的光催化活性，Seigo Ito等[42]在电子传输层和钙钛矿层之间添加Sb2S3作为钝化层.通过对比有无Sb2S3电池器件的性能以及材料结构的变化，推测出在光照条件下，钙钛矿层分解可能的形式，见图9[42].在没有Sb2S3的情况下,CH3NH3PbI3层经过长时间的光照后分解为PbI2、CH3NH2、HI，其中CH3NH2、HI以气体形式脱离器件（图9(a)）.当添加Sb2S3后（图9(b)），经过同样的光照时间，钙钛矿材料显示出良好的稳定性，可以判断钙钛矿材料的分解是从TiO2界面开始的.Sb2S3的存在抑制TiO2的光催化活性，阻碍离子碘向单质碘的转变.从而提高钙钛矿器件在光照条件下的稳定性.光、氧对钙钛矿器件的影响在当前的研究来看，并非独立，而是协同作用.Snaith等[43]最先对钙钛矿太阳能电池随紫外光老化时间稳定性进行研究.解释了TiO2氧空穴位点在紫外光照射下，TiO2产生电子-空穴与吸附的氧自由基之间的反应机理.另外，Haque等[44]对光、氧同时存在情况下对钙钛矿稳定性进行研究.结果表明在光照和干燥空气条件下，基于CH3NH3PbI3的钙钛矿材料很快分解为CH3NH2、PbI2、I2.分析可能是光照引起的超氧离子（O-2）与CH3NH3PbI3反应，造成后者的分解.结合检测的数据，得出如图10所示可能存在的反应过程[44].为了研究光和氧共同存在对MeNH3PbI3的分解退化的影响，最近Daniel Bryant等[45]分别在光照、氮气；黑暗、干燥空气；光照、干燥空气；光照、相对湿度48%等4组不同条件下进行对比实验研究，从图11(a)、(b)中可知，在这2种情况下，MeNH3PbI3性能并不明显变化.对比实验结果不难发现在光、氧同时存在的条件下，MeNH3PbI3很容易分解退化.从图11(c)、(d)中可以看出[45]，MeNH3PbI3性能在这2种情况中发生明显的变化，即MeNH3PbI3不能在这2种环境中稳定存在.为了研究光、氧的同时存在是如何影响整个器件稳定性的，他们又设计一系列实验，图11显示4种不同换将下钙钛矿材料吸光性能的变化结果，图12展示了电池器件在6种不同下效率随时间的变化关系，进一步说明钙钛矿电池性能和稳定性受光和氧的共同影响.综合前面的介绍，钙钛矿太阳能电池的稳定性不只是取决于材料本身的热稳定、光稳定、氧稳定、水稳定等，各种影响因素之间并不完全孤立，材料的稳定根源还是因为材料自身的微观结构形成的光电等属性.相比于晶体硅太阳能电池，硅原子间作用力强，结构稳定，不易与水、氧等反应，具有长寿命，而基于有机卤化铅的钙钛矿太阳能电池吸光材料属于离子晶体，自身物理稳定性不佳.组成电池器件之后，由于光照射，器件中的二氧化钛容易产生光催化作用导致内部材料易与水、氧等反应．因此，对与采取的一种或几种提高稳定性的措施可能在上述几个方面产生良好的效果．Seok等[46]利用化学方法将 Br部分取代 I，得到CH3NH3Pb(I1-xBrx)3作为光吸收材料．x=0．2时，电池器件比x=0时表现出更好的稳定性，侧面说明钙钛矿材料的稳定性．Pb-Br之间的结合比Pb-I之间的结合更强，因此在CH3NH3PbI3中部分引入Br提高了器件的稳定性．Tai等[47]利用Pb(SCN)2作为铅源制备CH3NH3PbI3-x(SCN)x形式的钙钛矿材料，这类钙钛矿电池器件表现出比传统CH3NH3PbI3更好的稳定性，而且PCE最高能达到15%．另外关于FAPbI3钙钛矿材料的稳定性也要比MAPbI3要好很多．通过对钙钛矿材料组成部分的取得，优化各组分之间的相互作用，能显著提高器件在一般环境中的稳定性，这是关于如何优化材料来提高钙钛矿电池稳定性的研究方向．这也说明对于钙钛矿类电池的稳定性问题，可以结合材料本身考虑．通过优化材料组成部分来提高器件的稳定性，当然材料组分的改变也就意味着材料属性的改变，对应的光电性能也会发生相应的转变，从电池的应用研究来讲，需要综合考虑电池效率和稳定性问题．关于水、氧等对钙钛矿材料稳定性的研究方法可以考虑采用原子示踪技术，帮助从源头研究水、氧等小分子对钙钛矿材料和电池器件稳定性影响的历程，同时结合以往的成果探索新的材料和优化制备条件提高钙钛矿电池性能和稳定性．2.2 界面稳定性除了钙钛矿材料自身的光电稳定性对器件影响之外，器件各层材料之间的接触面对器件性能的影响也起到重要作用，因此综合分析各层界面性质对器件稳定性的影响对于优化整个器件，获得高效电池十分重要．界面的不稳定性主要存在于钙钛矿层与电子、空穴传输层之间．钙钛矿层材料的在结晶过程中晶粒间出现空隙，导致当电子、空穴材料接触时复合严重，电池性能降低，并影响器件的稳定性．另外前文关于TiO2在光照条件下容易与接触的钙钛矿材料和氧反应导致材料分解，通过引入钝化材料可以抑制TiO2的光催化作用光、氧引起器件不稳定．。
钙钛矿太阳能电池研究历程
钙钛矿太阳能电池研究历程引言：太阳能电池是一种利用太阳能转化为电能的装置，近年来，随着对可再生能源需求的不断增加和对传统能源的限制，太阳能电池作为一种绿色、清洁的能源选择变得越来越重要。
而钙钛矿太阳能电池作为一种新兴的太阳能电池技术，具有高效率、低成本和易制备等优势，已经成为太阳能领域的研究热点。
本文将从钙钛矿太阳能电池的起源、发展历程和未来展望三个方面来介绍钙钛矿太阳能电池的研究历程。
一、钙钛矿太阳能电池的起源钙钛矿太阳能电池最早可以追溯到1991年，当时日本科学家Kojima等人首次报道了一种基于有机金属铅钙钛矿的太阳能电池。
这种太阳能电池具有较高的光电转换效率和较低的制备成本，引起了科学界的广泛关注。
随后，科学家们开始不断地探索钙钛矿太阳能电池的性能和制备方法，希望能够进一步提高其效率和稳定性。
二、钙钛矿太阳能电池的发展历程1. 初期研究阶段在钙钛矿太阳能电池的初期研究阶段，科学家们主要关注于钙钛矿材料的合成和光电特性的研究。
他们发现，钙钛矿材料具有优异的光吸收能力和电荷传输特性，能够在较低的成本下实现较高的光电转换效率。
然而，由于钙钛矿材料的不稳定性和光电性能的不确定性，钙钛矿太阳能电池的商业化应用仍然面临诸多挑战。
2. 性能提升阶段为了提高钙钛矿太阳能电池的性能，科学家们开始探索不同的钙钛矿材料和器件结构。
他们发现，通过调整钙钛矿材料的组成和结构，可以显著改善钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和稳定性。
例如，将有机阳离子和无机阳离子进行离子交换，可以提高钙钛矿太阳能电池的稳定性和长期性能。
此外，科学家们还尝试利用钙钛矿材料的多样性，研究了不同的器件结构，如钙钛矿梯度结构、多层结构和纳米结构等，以提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。
3. 商业化应用阶段随着钙钛矿太阳能电池性能的不断提升，科学家们开始将其应用于实际的太阳能发电系统中。
他们发现，钙钛矿太阳能电池具有较高的光电转换效率和较低的制备成本，可以在不同的环境条件下实现可靠的电力输出。
钙钛矿太阳能电池研究进展
钙钛矿太阳能电池研究进展一、本文概述随着全球对可再生能源需求的日益增长，钙钛矿太阳能电池作为一种新兴的光伏技术，近年来受到了广泛关注。
钙钛矿材料因其独特的光电性质和可调带隙结构，在太阳能电池领域展现出了巨大的应用潜力。
本文旨在全面综述钙钛矿太阳能电池的研究进展，从材料设计、电池结构、制备工艺到性能优化等方面进行深入探讨。
我们将首先回顾钙钛矿太阳能电池的发展历程，然后重点介绍其基本原理、关键材料和最新研究成果。
本文还将讨论钙钛矿太阳能电池当前面临的挑战，如稳定性、可重复性和大面积制备等问题，并展望未来的发展方向。
通过本文的综述，我们期望能为读者提供一个全面而深入的了解钙钛矿太阳能电池的研究进展和前景的视角。
二、钙钛矿太阳能电池的发展历程钙钛矿太阳能电池的发展历程可以追溯到21世纪初。
在2009年，日本科学家Miyasaka首次将钙钛矿材料应用于染料敏化太阳能电池中，实现了约8%的光电转换效率，这一开创性的研究为钙钛矿太阳能电池的发展奠定了基础。
然而，初期的钙钛矿太阳能电池效率较低，稳定性差，难以应用于实际生产中。
随后，科研人员通过不断改进材料组成、优化电池结构、提高制备工艺等方法，逐步提高了钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和稳定性。
2012年，韩国科学家Park和Grätzel等人成功制备出了光电转换效率超过9%的钙钛矿太阳能电池，这一突破性的成果引起了全球科研人员的广泛关注。
进入21世纪10年代后期，钙钛矿太阳能电池的研究进入了快速发展阶段。
科研人员通过深入研究钙钛矿材料的物理化学性质、界面工程、载流子传输机制等方面，不断优化电池性能。
随着制备技术的不断进步，钙钛矿太阳能电池的尺寸逐渐增大，从最初的微米级发展到厘米级，甚至更大面积的柔性电池，使得钙钛矿太阳能电池在商业化应用中展现出巨大的潜力。
目前，钙钛矿太阳能电池的最高光电转换效率已经超过25%，并且在大面积模块制备、稳定性提升等方面也取得了显著进展。
钙钛矿光伏电池标准现状与展望
钙钛矿光伏电池标准现状与展望目录1. 内容简述 (3)1.1 研究背景 (4)1.2 研究意义 (5)1.3 论文结构 (6)2. 钙钛矿材料简介 (7)2.1 钙钛矿材料的基本性质 (8)2.2 钙钛矿材料的合成方法 (9)2.3 钙钛矿材料的应用前景 (10)3. 钙钛矿光伏电池的原理与结构 (11)3.1 光-电转换原理 (12)3.2 钙钛矿器件的结构 (13)3.3 不同类型钙钛矿电池的比较 (14)4. 钙钛矿光伏电池的性能现状 (15)4.1 能量转换效率 (16)4.2 功率转换效率 (17)4.3 工作稳定性 (19)5. 钙钛矿光伏电池的关键技术 (20)5.1 材料制备 (21)5.2 设备工艺 (22)5.3 器件优化 (23)6. 钙钛矿光伏电池面临的挑战与机遇 (25)6.1 稳定性问题 (27)6.2 成本控制 (28)6.3 大规模生产 (29)7. 政策支持与产业布局 (30)7.1 国内外政策环境 (31)7.2 企业布局与发展策略 (32)8. 钙钛矿光伏电池的标准现状 (34)8.1 国际与国内标准状况 (35)8.2 标准的发展趋势 (36)9. 钙钛矿光伏电池的展望 (37)9.1 性能提升的未来方向 (38)9.2 应用领域的拓展 (39)9.3 可持续发展的路径 (41)10. 结论与建议 (42)10.1 研究结论 (43)10.2 政策建议 (45)10.3 未来展望 (46)1. 内容简述因其独特的物理性质和制造方法，迅速引起科研人员的高度关注。
它们结合了有机和高性能无机材料的优点，从而在转换效率、制备过程成本和灵活性方面展现了巨大的潜力。
钙钛矿材料能够提供比传统硅基光伏电池更高的光吸收系数和更宽的光和谐性，改良后的光电转换性能已能够逐步接近甚至超越当前商业化太阳能电池的性能标准。
钙钛矿光伏电池主要采用二元或三元混合杂化结构，实现其高效的光电性能。
黄维团队钙钛矿太阳能电池总结
黄维团队钙钛矿太阳能电池总结1.引言太阳能作为清洁能源的代表之一，一直受到广泛关注。
近年来，钙钛矿太阳能电池以其高效能转换率和低成本而备受研究者青睐。
本文将总结黄维团队在钙钛矿太阳能电池领域的研究成果和进展。
2.钙钛矿太阳能电池简介钙钛矿太阳能电池是一种新型的薄膜太阳能电池，其光电转换效率高达20%以上，且制备过程相对简便，成本较低。
它的主要组成是钙钛矿光敏层、电子传输层和阳极。
2.1钙钛矿光敏层钙钛矿光敏层是钙钛矿太阳能电池的核心部分，它能够将阳光中的光能转化为电能。
通过选择合适的钙钛矿材料和优化制备工艺，可以提高钙钛矿光敏层的光吸收和电子传输效果。
2.2电子传输层电子传输层用于提供电子传输通道，从而有效收集光生电子。
常用的电子传输层材料有二氧化钛、氧化锌等。
2.3阳极阳极通常使用导电玻璃或透明导电聚合物材料。
它既能够帮助电子流动，又能够让阳光透过透明阳极层到达钙钛矿光敏层。
3.黄维团队的研究成果黄维团队在钙钛矿太阳能电池领域取得了许多重要研究成果，为该领域的发展做出了突出贡献。
以下是其中的几个方面：3.1钙钛矿材料研究黄维团队对不同类型的钙钛矿材料进行了广泛的研究，包括有机-无机杂化钙钛矿、全无机钙钛矿等。
他们发现不同材料的特性和性能有所差异，为进一步提升钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性提供了理论依据。
3.2制备工艺优化黄维团队在制备工艺上进行了精细调控，通过优化钙钛矿光敏层的厚度、晶粒大小等参数，提高了钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。
同时，他们还改进了电子传输层和阳极的制备方法，进一步提高了电池性能。
3.3长期稳定性研究黄维团队关注钙钛矿太阳能电池的长期稳定性问题，通过测试和分析，他们发现了钙钛矿材料的退化机制，并提出了相应的改进方案，延长了电池的使用寿命。
3.4薄膜太阳能电池集成除了钙钛矿太阳能电池的研究，黄维团队还开展了薄膜太阳能电池的集成研究。
他们将钙钛矿太阳能电池与其他材料的太阳能电池进行了组合，实现了能量的更高转化效率。
《2024年无空穴传输层碳基钙钛矿太阳能电池的制备及性能研究》范文
《无空穴传输层碳基钙钛矿太阳能电池的制备及性能研究》篇一一、引言随着科技的飞速发展，能源需求持续增长，寻找清洁、可持续的能源成为了世界各国的共识。
其中，钙钛矿太阳能电池以其高效率、低成本等优势备受关注。
近年来，关于无空穴传输层碳基钙钛矿太阳能电池的研究逐渐增多，本文旨在探讨其制备方法及性能研究。
二、无空穴传输层碳基钙钛矿太阳能电池的制备1. 材料选择无空穴传输层碳基钙钛矿太阳能电池的制备主要涉及钙钛矿材料、导电基底、碳电极等材料的选用。
钙钛矿材料为光电转换的关键，导电基底应具备良好的导电性和透明度。
此外，需注意所选材料的稳定性和环保性。
2. 制备流程（1）制备导电基底：选择合适的导电玻璃基底，进行清洗和预处理。
（2）制备钙钛矿层：采用溶液法或气相沉积法将钙钛矿材料制备成薄膜，并对其进行退火处理。
（3）制备碳电极：在钙钛矿层上涂覆碳电极材料，并进行热处理。
（4）完成电池组装：将电极与其他组件进行组装，形成完整的太阳能电池。
三、无空穴传输层碳基钙钛矿太阳能电池的性能研究1. 光电性能分析通过测量电池的电流-电压曲线，分析其开路电压、短路电流、填充因子等关键参数。
同时，采用光谱响应测试、量子效率测试等方法，研究电池的光电转换效率及稳定性。
2. 结构与形貌分析利用X射线衍射、扫描电子显微镜等手段，对电池的结构和形貌进行表征。
通过分析钙钛矿层的结晶度、颗粒大小及分布等，探讨其光电性能的影响因素。
3. 稳定性测试在光照、湿度等不同环境条件下，对电池进行长时间稳定性测试。
通过对比不同条件下电池的性能变化，评估其实际应用潜力。
四、实验结果与讨论经过一系列实验，我们成功制备了无空穴传输层碳基钙钛矿太阳能电池。
通过光电性能分析，我们发现该电池具有较高的开路电压和短路电流，填充因子也表现出色。
在结构与形貌分析中，我们发现钙钛矿层的结晶度良好，颗粒分布均匀。
在稳定性测试中，该电池在光照和湿度环境下均表现出较好的稳定性。
钙钛矿太阳能电池技术发展历史与现状
钙钛矿太阳能电池技术发展历史与现状一、本文概述随着全球对可再生能源需求的日益增长，太阳能作为一种清洁、可持续的能源形式，正受到越来越多的关注。
钙钛矿太阳能电池作为一种新型的光伏技术，近年来在能源领域引起了广泛的关注。
本文旨在全面概述钙钛矿太阳能电池技术的发展历史与现状，分析其在光伏领域的应用前景与挑战。
我们将从钙钛矿材料的特性出发，探讨其如何影响电池的性能和效率，并总结目前的研究进展和技术突破。
本文还将讨论钙钛矿太阳能电池在实际应用中所面临的挑战，如稳定性、生产成本等问题，并展望未来的发展趋势。
通过对钙钛矿太阳能电池技术发展历史与现状的深入研究，我们希望能够为相关领域的科研人员和技术人员提供有价值的参考，推动钙钛矿太阳能电池技术的进一步发展。
二、钙钛矿太阳能电池的发展历史钙钛矿太阳能电池的发展历史可以追溯到21世纪初。
早在2009年，日本科学家Miyasaka首次将钙钛矿材料应用于染料敏化太阳能电池中，实现了8%的光电转换效率，这一开创性的研究为钙钛矿太阳能电池的发展奠定了基础。
随后，研究者们开始关注并深入研究这种新型太阳能电池的可能性。
在接下来的几年里，钙钛矿太阳能电池的研究取得了显著的进展。
2011年，韩国科学家Park和他的团队通过优化钙钛矿材料的制备工艺，成功提高了电池的光电转换效率，达到了5%，这一成果引起了全球范围内的广泛关注。
随着研究的深入，研究者们发现，钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性受到许多因素的影响，如材料的组成、微观结构、制备方法等。
为了进一步提高电池的性能，研究者们开始探索新的钙钛矿材料，改进电池的结构，并优化电池的制备工艺。
2013年，英国科学家Snaith和他的团队使用了一种新型的空穴传输材料，将钙钛矿太阳能电池的光电转换效率提升到了超过15%，这一突破性的成果标志着钙钛矿太阳能电池正式进入了商业化应用的门槛。
近年来，随着研究者们对钙钛矿太阳能电池的深入研究，电池的性能和稳定性得到了极大的提升。
钙钛矿太阳能电池中电子传输材料的研究进展
钙钛矿太阳能电池中电子传输材料的研究进展一、本文概述随着全球对可再生能源需求的日益增长，太阳能电池作为将太阳能直接转换为电能的装置，受到了广泛关注。
在众多太阳能电池技术中，钙钛矿太阳能电池因其高光电转换效率、低成本和易于制备等优点，成为近年来研究的热点。
钙钛矿太阳能电池中的电子传输材料在提升电池性能方面发挥着至关重要的作用。
本文旨在全面概述钙钛矿太阳能电池中电子传输材料的研究进展，包括材料类型、性能优化、工作机制以及面临的挑战和未来的发展趋势。
通过对电子传输材料的深入研究，我们可以更好地理解钙钛矿太阳能电池的工作原理，从而推动其光电转换效率的提升，为太阳能电池的商业化应用提供有力支持。
二、钙钛矿太阳能电池中电子传输材料的分类与特点钙钛矿太阳能电池中的电子传输材料是提升电池性能的关键要素之一。
这些材料的主要功能是在太阳光照射下，有效地收集和传输光生电子，以提高电池的光电转换效率。
根据材料的性质和应用方式，电子传输材料可以分为以下几类，并各具特点。
金属氧化物：金属氧化物如二氧化钛（TiO2）和氧化锌（ZnO）等，是常见的电子传输材料。
它们具有良好的电子迁移率和稳定性，能够有效地传输电子并阻挡空穴。
金属氧化物还可以通过表面修饰和纳米结构设计等方法进一步优化其电子传输性能。
有机聚合物：有机聚合物如聚3,4-乙二氧基噻吩（PEDOT:PSS）等，也广泛应用于钙钛矿太阳能电池中。
这类材料具有良好的导电性和可加工性，能够与钙钛矿层形成良好的界面接触。
然而，有机聚合物的稳定性较差，容易受到光照和湿度等环境因素的影响。
碳基材料：碳基材料如碳纳米管（CNTs）和石墨烯等，具有优异的导电性和稳定性，是近年来备受关注的电子传输材料。
它们能够有效地提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率，并且具有良好的应用前景。
复合材料：复合材料是将两种或多种材料结合在一起形成的新型材料。
通过合理的设计和优化，复合材料可以综合各种材料的优点，进一步提高钙钛矿太阳能电池的性能。
钙钛矿太阳能电池国内外现状和发展趋势
钙钛矿太阳能电池国内外现状和发展趋势钙钛矿太阳能电池是一种新型的高效太阳能电池技术，具有高转换效率、低成本、可制备柔性器件等优点，因此备受关注。
本文将从国内外现状和发展趋势两个方面来探讨钙钛矿太阳能电池的发展情况。
一、国内现状近年来，中国在钙钛矿太阳能电池领域取得了显著进展。
国内多所高校和研究机构投入大量资源进行钙钛矿太阳能电池的研究和开发工作。
在材料研究方面，中国科学院、清华大学等机构提出了一系列改进和创新，如引入新的钙钛矿材料、优化电池结构等。
在工艺制备方面，国内研究机构不断改进制备工艺，提高了钙钛矿太阳能电池的制备效率和稳定性。
此外，国内企业也开始投入到钙钛矿太阳能电池的生产中，推动了产业化进程。
二、国外现状国外在钙钛矿太阳能电池领域的研究也非常活跃。
英国、美国、德国等国家的研究机构和企业在钙钛矿太阳能电池的研究和开发方面取得了很多成果。
例如，英国牛津大学的研究团队提出了一种新型的钙钛矿太阳能电池结构，大大提高了电池的稳定性和光电转换效率。
美国麻省理工学院的研究团队开发了一种可弯曲的钙钛矿太阳能电池，为柔性电子设备的应用提供了新的可能性。
三、发展趋势从国内外现状来看，钙钛矿太阳能电池的发展前景非常广阔。
未来的发展趋势主要集中在以下几个方面：1. 材料研究：钙钛矿太阳能电池的性能取决于材料的选择和优化。
未来的研究将聚焦于寻找更好的钙钛矿材料，提高电池的光电转换效率和稳定性。
2. 工艺制备：制备工艺的改进将有助于提高钙钛矿太阳能电池的制备效率和降低成本。
例如，采用新的工艺能够实现大规模生产，推动产业化进程。
3. 应用拓展：钙钛矿太阳能电池不仅可以用于传统的光伏发电，还可以应用于电动汽车、移动设备、建筑一体化等领域。
未来的发展将会进一步拓展钙钛矿太阳能电池的应用领域。
4. 环境友好：钙钛矿太阳能电池具有较低的能源消耗和环境污染，是一种环境友好型能源技术。
未来的发展将更加注重钙钛矿太阳能电池的可持续性和环境友好性。
钙钛矿太阳能电池的发展现状及未来前景
钙钛矿太阳能电池的发展现状及未来前景钙钛矿太阳能电池，这个名字听起来是不是有点高大上？它的背后藏着一个充满希望的故事。
想象一下，阳光洒在大地上，照耀着我们生活的每一个角落，而钙钛矿太阳能电池正是那把打开绿色能源大门的金钥匙。
说到钙钛矿，其实它是一种矿物，科学家们发现它的光电转换效率惊人，简直是“老虎”变“奶牛”的传奇。
相较于传统的硅基太阳能电池，钙钛矿不仅轻便，还能在低光照的情况下工作，真是“福星高照”呀。
发展现状方面，近年来，钙钛矿太阳能电池技术取得了突飞猛进的进展。
光是从实验室走向市场，这段路可不容易。
研究人员不断探索，尝试用不同的材料组合，力求让这种电池的稳定性更高、效率更好。
你知道吗？现在一些钙钛矿电池的转换效率已经超过了25%！这可不是小数字，意味着它能把阳光转化为电能的能力，简直比那些“心机”满满的传统电池强多了。
不过，听着听着，似乎有些小麻烦也冒了出来。
钙钛矿电池在长时间暴露于潮湿环境下容易降解，真是“水火无情”。
虽然科学家们已经在想方设法解决这个问题，但这就像是在给一只“活泼的小狗”上紧箍咒，难免让人担心。
不过，别忘了，科技的进步总是有惊喜。
在这条路上，有很多优秀的团队在奋力拼搏，致力于让钙钛矿电池更加坚固耐用。
每一次进步都让人感到“哇塞”，真希望不久的将来能看到它们在市场上大显身手。
聊到未来前景，钙钛矿太阳能电池的潜力就像无边无际的蓝天，令人期待。
我们生活在一个讲求可持续发展的时代，绿色能源成为了人们的首选，钙钛矿电池作为新兴力量，必定能在未来的能源市场中占据一席之地。
想象一下，未来的房顶上都是这类电池，阳光洒下，电能源源不断地供给家庭用电，那场景简直美得让人“心花怒放”！不仅如此，这种电池的生产成本也比传统电池低得多，能给我们的钱包带来“福音”。
随着技术的不断革新，钙钛矿太阳能电池的应用领域也在逐渐扩展。
除了常见的建筑外墙，未来我们或许能看到它在汽车、便携式设备上的身影。
想象一下，开车时阳光洒在车窗上，汽车自动充电，简直是“美梦成真”。
钙钛矿太阳能电池方向研究生
钙钛矿太阳能电池方向研究生
钙钛矿太阳能电池作为一种新兴的太阳能转换技术，在能量转换效率和材料成本方面具有潜力。
目前，钙钛矿太阳能电池的研究方向主要包括以下几个方面：
1. 提高光电转换效率：钙钛矿太阳能电池的转换效率已经在短时间内得到了显著提高，但仍然有进一步的提高空间。
未来的研究方向包括通过改进材料结构、界面工程和光伏器件结构等方式来提高电子传输和光吸收效率，进一步提高光电转换效率。
2. 提高稳定性和耐久性：钙钛矿太阳能电池在长期使用过程中面临着稳定性和耐久性方面的挑战。
研究人员致力于开发更好的稳定性和耐久性的钙钛矿材料和器件结构，以延长电池的使用寿命和提高稳定性。
3. 探索新的材料和结构：除了常见的钙钛矿材料（如CH3NH3PbI3），研究人员还在探索其他类型的钙钛矿材料，如有机-无机杂化钙钛矿、铟锡钙钛矿等。
此外，研究人员还在研究新的光伏器件结构，如钙钛矿-硅叠层结构、钙钛矿-钙钛矿叠层结构等，以进一步提高光电转换效率和稳定性。
4. 提高可扩展性和低成本制备：钙钛矿太阳能电池的制备方法通常需要复杂的工艺和高温多步骤制备过程，限制了其大规模商业化的发展。
因此，研究人员正致力于开发更简单、低成本和可扩展的制备方法，以降低钙钛矿太阳能电池的制造成本并提高生产效率。
总的来说，钙钛矿太阳能电池的研究方向主要集中在提高光电转换效率、稳定性和耐久性，探索新的材料和结构，以及开发低成本、可扩展的制备方法。
这些研究方向的进展将有助于进一步推动钙钛矿太阳能电池的应用。
钙钛矿太阳能电池光电转换效率研究进展
钙钛矿太阳能电池光电转换效率研究进展冯宇昂【摘要】In recent years, energy shortage and environmental pollution have become the prominent problems in modern society. While vigorous development and promotion of clean energy technology is an effective means to solve these two problems. With enthusiasm for the mitigation of energy problems, we have conducted some investigations in this regard. In this paper, the development history of perovskite solar cells is briefly reviewed, and the methods to improve the efficiency of the perovskite solar cells such as reducing the carrier recombination probability, improving the preparation process, and applying new materials are introduced. Finally, some problems are summarized and the development directions of the perovskite solar cells are prospected.%近年来能源短缺、环境污染成为了现代社会的突出问题,而大力发展和推广清洁能源技术是解决这两大难题的有效手段,怀着缓解能源问题的热忱,我们在此方面进行了一些调查.本文简要回顾了钙钛矿太阳能电池的发展历史,并主要介绍了降低载流子复合几率、改善制备工艺、应用新材料等提高钙钛矿太阳能电池效率的方法,最后总结和展望了钙钛矿太阳能电池仍待改进的一些问题和发展方向.【期刊名称】《化工中间体》【年(卷),期】2017(000)007【总页数】2页(P33-34)【关键词】钙钛矿;太阳能电池;光电转换效率【作者】冯宇昂【作者单位】河南省郑州市第一中学河南 450000【正文语种】中文【中图分类】T钙钛矿,也称有机铅卤钙钛矿,一般用ABX3表示,其中A代表有机原子基团,B代表Pb元素,X则指卤素原子.钙钛矿的晶胞有两种表示形式,一是将A看作晶胞中心,则B处于立方体的顶点,X在棱心位置(如图一),二是将B看作晶胞中心,则A处于立方体的顶点,X在面心位置(如图二).总之,一个晶胞中总含有一个A、一个B和三个X. 本文从钙钛矿电池光电转换效率最新的研究成果着眼,介绍在降低载流子复合几率、改进传统溶液法制备工艺、新的电池材料三个方面的最新进展.钙钛矿太阳能电池的原理是光敏材料吸收光能,产生载流子(电子和空穴),载流子定向移动产生电流,从而对外做功.因此,要提高电池效率,就要增加同等光照条件下载流子的数量,降低其复合几率是重要手段之一.shen等发现,提高钙钛矿太阳能电池效率的关键在于对载流子的收集而不是分离.他们的研究表明,使用TiO2而不是Y2O3作为ETM,使用spiro作为HTM,限制TiO2尺度为30nm而不是18nm,实施界面调控等措施均有助于减少载流子在界面处的复合,从而提高钙钛矿太阳能电池的效率.另外,实现材料表面钝化可以有效降低载流子复合几率.溶液旋涂法、高温旋涂法和气相沉积法,是传统的制备钙钛矿薄膜材料的方法,其中以溶液旋涂法最为常见.而溶液旋涂法又分为两种:一步法和两步法.一步法是指直接将PbX2和CH3NH3X溶液混合并直接涂覆在TiO2上,干燥后生成CH3NH3PbX3,这种方法的优点是简单易行,成本低廉,但可控性较差,制备的薄膜厚度不均,缺陷较大.两步法是将CH3NH3I溶液和PbI2溶液先后分别涂覆到TiO2上,并可以通过控制CH3NH3I溶液的浓度来控制CH3NH3PbI3晶体的生长,调整晶体尺寸,从而优化转换效率.(1)改进光敏材料顾名思义,钙钛矿太阳能电池是将钙钛矿结构材料作为光敏吸收层的.改进光敏材料,可以从替换A、B、X这三个原子或原子团来着手.对卤素原子做出调整:2009年,Kojima A等人在首次制作钙钛矿太阳能电池时运用的光敏材料是CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbI3,当时的电池效率仅有3.8%,后来Christian等人在CH3NH3PbI3中掺杂了一定量的Cl元素,并测得CH3NH3PbI(3-x)Clx的载流子迁移速率为11.6cm2/(V•s),明显高于CH3NH3PbI3的8cm2/(V•s)(载流子迁移速率越高,电池的效率也就越高),故混合卤素钙钛矿具有更高的载流子迁移速率.对有机原子团做出调整:随着铅卤钙钛矿太阳能电池的发展,多个课题组都报道了使用甲脒基(FA)取代甲胺基(MA)得到了一种新的钙钛矿材料:FAPbI3.对Pb原子做出调整:目前大部分实验表明Pb元素是使电池效率最高的元素,当然,铅会污染环境,用其他元素代替铅并保证电池效率也是未来的发展方向.(2)改进电子传输材料电子传输材料是指能接受带负电荷的电子载流子并传输电子载流子的材料,具有较高电子亲和能的半导体材料(即n型半导体)通常被用作电子传输材料.由于历史原因,钙钛矿太阳能电池中使用和研究最多的电子传输层材料为在染料敏化太阳能电池中常见的TiO2.TiO2与钙钛矿材料能带匹配,钙钛矿中产生的光生电子能够注入TiO2的导带,使光生电子空穴对分离,提高电荷分离及传输效率.但是TiO2需要400～500度高温烧结,制备困难,因此人们想到将其与导电性能极佳的石墨烯材料复合,电子传输速率得到了提升.(3)改进空穴传输材料目前应用最为广泛的空穴传输材料是Spiro-OMeTAD,它性能优越但价格极昂贵(约为黄金十倍!)且其中含碳碳双键,光照易使其分解,于是人们希望用容易制备、价格低廉而且稳定性高的无机材料替代之,Ivan Mora-Sero等采用无机p型半导体CuSCN作为空穴传输层材料,获得了6.4%的光电转换效率.Shihe Yang等采用NiO纳米颗粒作为空穴传输层,制备了反式平面异质结电池,效率达9.11%.虽然钙钛矿太阳能电池前景光明,但其仍然存在很多亟待解决的问题.首先,大多数科学家都只是致力于用不同的方式得到效率提高的结果,而没有得出描述钙钛矿太阳能电池效率变化的理论模型.其次,钙钛矿太阳能电池在水蒸气和氧气环境下的高度不稳定性,以及材料中所存在的铅元素都对其推广应用带来了困难.第三,如何实现大面积低能耗制备钙钛矿材料,满足产业化需求仍是目前所面临的重要问题.基于此,通过改善钙钛矿层与其他传导层间的界面性能,降低载流子复合几率,寻找更高效稳定的电子/空穴传输材料,能提高电池转换效率,也可以改善电池的稳定性.冯宇昂,男,河南省郑州市第一中学;研究方向:材料.【相关文献】[1]T.Miyasaka*et al,Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells. J. Am.Chem. Soc. 2009,131,6050-6051.[2]Q. Shen * et al, Charge transfer and recombination at the metaloxide/CH3NH3PbClI2/spiro-OMeTAD interfaces:uncovering the detailed mechanism behind high effciency solar cells. Phys. Chem. Chem.Phys.,2014,16,19984-19992.[3]Hao-Wu Lin* et al,Effi cient and Uniform Planar-Type Perovskite Solar Cells by Simple Sequential Vacuum Deposition Adv. Mater. 2014, 26, 6647-6652[4]Ivan Mora-Sero*et al.Recombinationstudyofcombinedha lides(Cl,Br,I)perovskite solarcells.J.Phys.Chem.Lett.,2014,5(10):1628-1635.[5]Shihe Yang,et al.High-Performance Hole-Extraction Layer of Sol-Gel-Processed NiONanocrystals for Inverted Planar Perovskite Solar Cells.Angew.Chem.Int.Ed.,2014,53(46):12571.。
钙钛矿太阳能电池调研报告
钙钛矿太阳能电池调研报告钙钛矿太阳能电池调研报告（1）随着全球能源需求的不断增长和环境问题的日益严重，可再生能源的利用和开发愈发受到关注。
太阳能作为一种广泛分布且资源充足的可再生能源，被普遍认为是解决能源危机和环境问题的重要途径之一。
钙钛矿太阳能电池作为第三代太阳能电池技术的代表，因其高能量转换效率和低成本而备受关注。
本次调研旨在对钙钛矿太阳能电池的发展现状、技术特点以及市场前景进行深入了解。
钙钛矿太阳能电池是目前最受关注的太阳能电池之一。
该技术以其高效的光电转换能力和低制造成本而备受瞩目。
钙钛矿材料具有结构简单、光吸收范围广以及快速电子传输等优点，使其成为一种理想的光电转换材料。
通过改变钙钛矿材料的组成和结构，科研人员不断提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。
根据最新研究数据，目前钙钛矿太阳能电池的效率已经达到了20%以上，甚至有些实验样品的效率已经接近30%。
钙钛矿太阳能电池除了具有高转换效率外，其制造成本也相对较低。
传统的硅基太阳能电池制造过程复杂，材料成本高昂，而钙钛矿太阳能电池的制造相对更加简单和经济。
钙钛矿材料可以通过溶液法、蒸发法和喷雾法等简单的工艺制备得到，这大大降低了制造成本。
同时，钙钛矿材料可以在柔性基底上制备，使得钙钛矿太阳能电池具备了良好的可弯折性能。
这一特点使得钙钛矿太阳能电池在实际应用中具有更大的灵活性和可塑性。
钙钛矿太阳能电池的市场前景广阔。
传统的硅基太阳能电池在市场上占据主导地位，但其制造成本较高，限制了其大规模商业化的发展。
相比之下，钙钛矿太阳能电池具有较低的制造成本和较高的转换效率，更具潜力成为主流太阳能电池技术。
根据市场预测，到2030年，钙钛矿太阳能电池有望占据光伏市场的30%以上份额。
此外，随着工艺和材料技术的不断突破，钙钛矿太阳能电池的性能还将继续提升，市场份额有望进一步扩大。
尽管钙钛矿太阳能电池具有许多优势和潜力，但其也面临着一些挑战和限制。
首先，钙钛矿材料相对不稳定，容易受到湿度、光照强度和温度等环境因素的影响，这可能影响其长期的稳定性和使用寿命。
钙钛矿太阳能电池研究进展与发展现状
温馨小提示：本文主要介绍的是关于钙钛矿太阳能电池研究进展与发展现状的文章，文章是由本店铺通过查阅资料，经过精心整理撰写而成。
文章的内容不一定符合大家的期望需求，还请各位根据自己的需求进行下载。
本文档下载后可以根据自己的实际情况进行任意改写，从而已达到各位的需求。
愿本篇钙钛矿太阳能电池研究进展与发展现状能真实确切的帮助各位。
本店铺将会继续努力、改进、创新，给大家提供更加优质符合大家需求的文档。
感谢支持！(Thank you for downloading and checking it out!)阅读本篇文章之前，本店铺提供大纲预览服务，我们可以先预览文章的大纲部分，快速了解本篇的主体内容，然后根据您的需求进行文档的查看与下载。
钙钛矿太阳能电池研究进展与发展现状（大纲）一、引言1.1钙钛矿太阳能电池的背景及意义1.2国内外研究现状概述二、钙钛矿材料的基本性质与特点2.1钙钛矿材料的晶体结构2.2钙钛矿材料的电子结构与光学性质2.3钙钛矿材料的优势与挑战三、钙钛矿太阳能电池的工作原理3.1光电转换过程3.2载流子传输与复合过程3.3钙钛矿太阳能电池的结构与分类四、钙钛矿太阳能电池的研究进展4.1材料优化与改性4.1.1晶体结构调控4.1.2组分优化4.1.3纳米结构设计4.2设备结构与工艺优化4.2.1吸收层厚度与界面修饰4.2.2电子传输层与空穴传输层设计4.2.3串联电池结构4.3稳定性与长期可靠性研究4.3.1环境稳定性4.3.2热稳定性4.3.3电化学稳定性五、钙钛矿太阳能电池的发展现状与趋势5.1国内外产业化进展5.2商业化应用与市场前景5.3发展趋势与展望六、结论与展望6.1研究成果总结6.2面临的挑战与未来发展方向一、引言随着全球能源需求的不断增长，可再生能源的研究与开发正变得越来越重要。
在众多可再生能源技术中，太阳能电池因其广泛的应用前景和可持续性而备受关注。
在过去几十年里，传统的硅基太阳能电池技术已经取得了显著的进步，但进一步提高其转换效率和降低制造成本仍然是一个巨大的挑战。
钙钛矿光电材料的研究及应用
钙钛矿光电材料的研究及应用近年来，随着能源危机日益加深，对新型能源的研究和开发已成为许多国家的共同目标，而光电材料作为新型能源材料的代表，成为了科学家们极力研究的领域。
在这其中，钙钛矿光电材料备受关注，被认为是未来可持续发展的主要能源之一。
本文将对钙钛矿光电材料的研究及其应用进行介绍和探讨。
一、钙钛矿光电材料的基本概念钙钛矿光电材料是一类晶体材料，具有优异的光电性能，在太阳能电池、光电探测器和光催化等领域有广泛的应用。
它的化学式为ABX3，A、B两种金属离子和X的阴离子构成晶体结构，其中A通常为较大的有机阳离子，也可以是Na+、K+等，B通常为钛离子，X可以是氧、氯、溴等。
钙钛矿晶体结构的稳定性、能隙大小、禁带结构和载流子的迁移率等特性，决定了钙钛矿光电材料能够在光电转换领域展现出突出的优异性能。
二、钙钛矿光电材料的研究进展自从首次报道以来，钙钛矿光电材料一直是材料科学家关注的焦点。
目前，已经有许多研究者在这方面进行了深入的实验研究和理论模拟，为相关应用提供了可靠的理论基础。
以下是近年来一些重要的研究成果：1. 钙钛矿太阳能电池太阳能电池是钙钛矿光电材料最为重要的应用之一。
钙钛矿太阳能电池是一种新型的薄膜太阳能电池，其转换效率比传统硅基太阳能电池有着极大的优势。
钙钛矿太阳能电池不仅具有高转换效率，还具有良好的机械柔性，可用于柔性光电器件的制备。
其中，以氯化银为钙源、甲基铵化碘为铅源的双阳离子钙钛矿材料（CsMAI3），具有优异性能，是一种前景广阔的光电材料。
2. 钙钛矿光电探测器钙钛矿光电探测器是一种光电转换器件，可以将光信号转化为电信号，在光通信、光电成像和激光雷达等领域具有重要的应用。
目前，研究者们已经实现了高效的钙钛矿光电探测器，其响应速度、探测灵敏度和稳定性均远远优于传统探测器。
3. 钙钛矿光催化钙钛矿光催化是一种利用太阳光能转化为化学反应能的方法，具有很大的应用潜力。
在钙钛矿光催化研究中，研究者们首先要探究光催化剂的可见光吸收性能和光催化活性。
《2024年碳基全无机CsPbBr3钙钛矿太阳能电池的制备及其性能研究》范文
《碳基全无机CsPbBr3钙钛矿太阳能电池的制备及其性能研究》篇一一、引言随着环境问题的日益突出和可再生能源的迫切需求，太阳能电池作为一种清洁、可再生的能源转换技术，受到了广泛关注。
钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）作为新型的太阳能电池，以其低成本、高效率和适宜大面积制备等特点备受关注。
在众多钙钛矿材料中，全无机的CsPbBr3钙钛矿材料因其稳定的晶体结构和良好的光电性能，成为研究热点。
本文将详细介绍碳基全无机CsPbBr3钙钛矿太阳能电池的制备过程及其性能研究。
二、实验材料与方法1. 材料准备实验所需材料包括CsBr、PbBr2、DMF（二甲基甲酰胺）、电子传输层材料等。
2. 制备过程（1）制备CsPbBr3钙钛矿前驱体溶液；（2）在导电玻璃基底上制备电子传输层；（3）将CsPbBr3钙钛矿前驱体溶液涂布于电子传输层上，形成钙钛矿层；（4）在钙钛矿层上制备碳基对电极。
3. 性能测试通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、紫外-可见光谱（UV-Vis）等手段对制备的太阳能电池进行表征，并测试其光电转换效率、稳定性等性能。
三、实验结果与分析1. 制备结果通过上述方法成功制备了碳基全无机CsPbBr3钙钛矿太阳能电池。
通过SEM观察，发现钙钛矿层具有较好的结晶性和均匀性。
2. 性能分析（1）光电转换效率：实验结果显示，碳基全无机CsPbBr3钙钛矿太阳能电池具有较高的光电转换效率，达到了XX%。
这得益于CsPbBr3钙钛矿材料优异的光电性能以及良好的电子传输性能。
（2）稳定性：经过一系列的稳定性测试，碳基全无机CsPbBr3钙钛矿太阳能电池表现出良好的环境稳定性，能够在不同环境条件下保持较高的光电性能。
四、结论本文研究了碳基全无机CsPbBr3钙钛矿太阳能电池的制备过程及其性能。
通过实验，成功制备了具有良好结晶性和均匀性的钙钛矿层，并表现出优异的光电转换效率和良好的环境稳定性。
钙钛矿太阳能电池研究进展
近年来 , 能源短缺问题已经成为阻碍经济发展 和世界和平的首要问题 , 是世界各国关注的焦点 . 传 统的化石能源不仅储量有限、不可再生 , 其使用过程 中还会给环境带来巨大的污染 . 太阳能电池作为一 种清洁可再生的能源正受到越来越多的关注 , 对于 解决能源危机具有重要的意义 . 在此背景下 , 开发新 型高效率低成本太阳能电池引起各国研究者的巨大 兴趣 . 有机金属卤化物钙钛矿结构太阳能电池是一 种以全固态钙钛矿结构作为吸光材料的太阳能电池 , 其能隙约为 1.5 eV, 消光系数高 , 几百纳米厚的薄膜 即可充分吸收 800 nm 以下的太阳光 , 在光电转换领 域具有重要的应用前景 . 这种新型的太阳能电池最 早 在 2009 年 由 日 本 桐 荫 横 滨 大 学 的 Miyasaka 研 究 组 提出 , 当时效率仅有 3.8%, 随后 5 年多来这类电 池获得了突飞猛进的发展 , 成果很快超过了其他类 型电池积累数十年的研究 , 目前由韩国化学研究院 (KRICT) 得到的最高效率值已达到 20.1%( 图 1). 钙钛 矿太阳能电池凭借良好的吸光性和电荷传输速率,
1
有机金属卤化物钙钛矿的基本结构及电 池构造
有机金属卤化物钙钛矿结构太阳能电池是一种
以全固态钙钛矿结构作为吸光材料的太阳能电池. 这种材料制备工艺简单 , 成本较低 . 以 CH3NH3PbI3 为例 , 将含有 PbI2 和 CH3NH3I 的溶液 , 在常温下混合 并进一步旋涂即可获得均匀的结晶薄膜 . 钙钛矿材料的结构通式为 ABX 3 , 其中 A 为有机 阳离子 , B为金属离子 , X为卤素基团 . 该结构中 , 金 属 B 原子位于立方晶胞体心处 , 卤素 X 原子位于立方
[10] [9]
在钙钛矿结构太阳能电池研究中 , 还有一种重 要的 I-V 回线现象也逐渐引起了人们的注意 . 对于钙 钛矿太阳能电池 , 以给定电压正向扫描时 , 电流随时 间逐渐增大直至饱和 , 而在反向扫描时 , 电流则始终 保持饱和 , 使 I-V 曲线呈现出异常的迟滞现象 , 不仅 影响测量开路电压和短路电流值的准确性 , 更是影 响钙钛矿太阳能电池未来发展的一大难题 . 因此 , 人 们开始探究产生迟滞现象的根本原因 . Kim等人 [13]研 究发现 , 随着钙钛矿晶体尺寸的增大以及介孔 TiO2 层厚的增加 , 电池在低频下由于偶极子极化作用 , 使 电容逐渐减小 , 进而使迟滞效应减弱 . 而 Wei等人 [14] 则提出 , 迟滞效应与钙钛矿材料的铁电性紧密相关 , 并且建立了铁电二极管模型对其进行解释 . 依据此 模型并结合实验数据 , 他们发现采用长时步进测量 方法能有效遏制迟滞效应, 得到较为准确的转换 效率 .
浅谈钙钛矿太阳能电池封装技术研究进展
浅谈钙钛矿太阳能电池封装技术研究进展摘要：钙钛矿太阳能电池（PSCs）作为最具潜力的下一代光伏发电技术，相比传统太阳能电池，具有原料丰富、工艺简单、成本低、能耗低和效率高等诸多优势。
其光电转换效率从2009年的3.8%已跃升至目前的25.7%，迅速成为国内外光伏领域的研究热点。
但环境中的水、氧和紫外线等很容易侵蚀钙钛矿吸光层，导致PSCs效率和稳定性下降，成为其商业化道路上的主要障碍。
因此，本文就目前国内外对PSCs封装材料和封装工艺的研究进行介绍。
最后在展望中指出未来应对无损伤、高耐候的复合封装工艺展开研究，即在不损伤PSCs效率的基础上，实现器件的长期稳定性。
关键词：钙钛矿太阳能电池；PSCs；封装；稳定性引言“十四五”期间，科技部等九部门印发《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022-2030年）》。
至此，我国正式启动“双碳”战略，其中包括构建清洁低碳安全高效的能源体系，建设以新能源为主体的新型电力系统。
在实现能源系统绿色低碳转型的进程中，我国太阳能资源潜力大且适合规模化发展，以光伏为代表的可再生能源成为国家发展的重点。
PSCs因其光电转换效率高、材料供应充足、成本较低等优势，成为学术界的研究热点，也愈发受到产业界的关注，成为最具潜力的下一代光伏技术之一。
2009年，PSCs实验室转化效率为3.8%[1]，短短十余年，PSCs得到了快速发展，单结PSCs最高转换效率达到25.7%[2]，效率提升速度惊人。
但是，PSCs对环境敏感，如环境中的水分、氧气和紫外线等均可能侵蚀钙钛矿吸光层，导致其效率和稳定性降低。
为了减少环境因素对PSCs的影响，采用阻水阻氧材料对PSCs进行封装至关重要。
并且封装材料应具有低成本、高透光率、高稳定性和良好的延展性等特点。
本文主要对目前国内外PSCs封装材料和封装工艺研究进行系统性介绍，并指出未来提升PSCs稳定性的研究方向。
1钙钛矿太阳能电池封装技术1.1 玻璃-聚合物薄膜封装玻璃-聚合物封装是较为常见的一种封装方式，是指经过加热、层压、固化等步骤，将太阳能电池、玻璃以及其它多层膜通过热塑性聚合物材料牢固粘合到一起。
《2024年碳基全无机CsPbBr3钙钛矿太阳能电池的制备及其性能研究》范文
《碳基全无机CsPbBr3钙钛矿太阳能电池的制备及其性能研究》篇一一、引言随着科技的飞速发展，人们对清洁能源的需求愈发强烈，其中，钙钛矿太阳能电池以其高效、低成本等优势，逐渐成为研究的热点。
本文以碳基全无机CsPbBr3钙钛矿太阳能电池为研究对象，详细探讨了其制备工艺及其性能表现。
二、碳基全无机CsPbBr3钙钛矿太阳能电池的制备1. 材料选择碳基全无机CsPbBr3钙钛矿太阳能电池主要材料包括碳基电极、CsPbBr3钙钛矿材料等。
其中，CsPbBr3钙钛矿材料因其具有优异的光电性能和较低的制造成本，被广泛应用于太阳能电池的研究中。
2. 制备工艺（1）基底处理：清洗并处理基底，以提高其与电极材料的附着力。
（2）制备碳基电极：通过化学气相沉积或物理气相沉积等方法制备碳基电极。
（3）制备CsPbBr3钙钛矿层：在清洁的基底上，通过溶液法或气相法等工艺制备CsPbBr3钙钛矿层。
（4）制备对电极：在钙钛矿层上制备对电极，如银电极等。
三、性能研究1. 光电性能分析通过测量太阳能电池的电流-电压曲线，可以得出其开路电压、短路电流、填充因子和光电转换效率等关键参数。
实验结果表明，碳基全无机CsPbBr3钙钛矿太阳能电池具有较高的光电转换效率。
2. 稳定性分析通过对太阳能电池进行长时间的光照和湿度测试，可以评估其稳定性。
实验结果显示，碳基全无机CsPbBr3钙钛矿太阳能电池在光照和湿度条件下表现出良好的稳定性。
四、讨论与展望碳基全无机CsPbBr3钙钛矿太阳能电池的制备工艺简单，成本低廉，且具有良好的光电性能和稳定性。
这为钙钛矿太阳能电池的进一步应用提供了可能。
然而，仍需在以下几个方面进行深入研究：1. 进一步提高光电转换效率：通过优化材料选择和制备工艺，进一步提高太阳能电池的光电转换效率。
2. 提高稳定性：尽管碳基全无机CsPbBr3钙钛矿太阳能电池在光照和湿度条件下表现出良好的稳定性，但仍需进一步研究提高其在恶劣环境下的稳定性。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
40第 44 卷 第 9 期2015 年 9 月Vol.44 No.9Sep.2015化工技术与开发Technology & Development of Chemical Industry钙钛矿太阳能电池的研究进展杨 林1，左智翔2，于凤琴1，纪三郝 1，王天华1，王鸣魁 2（1.中化化工科学技术研究总院，北京 100083；2. 华中科技大学光电国家实验室（筹），湖北 武汉 430074）摘 要： 近年来，得益于钙钛矿材料突出的光学和电学特性，全固态钙钛矿基太阳电池效率不断取得突破，现已超过20%。
业界纷纷期待着钙钛矿电池的产业化前景。
文章介绍了钙钛矿作为光电材料的一些光学、电学性能，回顾了钙钛矿电池的发展历程。
围绕基本结构，论述了钙钛矿电池中的基本光电转换过程，并对各种衍生结构的钙钛矿电池进行了罗列、分类，重点介绍了无空穴传输层的钙钛矿电池，阐明了无空穴传输层电池在稳定性和使用寿命、成本控制等关键问题上的优势所在，同时基于廉价碳电极的无空穴传输层太阳电池效率也已接近15%，且仍有较大提升空间。
关键词：钙钛矿电池；光电转换效率；异质结；空穴传输层；碳电极中图分类号：TM 914.4+3 文献标识码：A 文章编号：1671-9905(2015)09-0040-06作者简 介：杨林（1978-），男，博士，高级工程师，河北石家庄人，主要从事有机合成的研究。
E-mail: yanglin@ 通讯联系人：王鸣魁收稿日期：2015-07-02根据美国能源信息局的报告，预计到2035年，全球能源消耗将比现在增加50%，其中，化石能源消耗将占世界能源消耗总量的86%[1]。
可以说用“能源危机”来描述当前的形势丝毫不为过。
而化石能源链条一旦中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧，最终葬送现代市场经济。
与此同时，大量消耗化石能源导致的温室气体排放，不仅使全球气候发生变化，海平面上升，还将造成全球大气环流调整和气候带向极地扩展。
总之，在世界能源现状日益拮据，化石能源迟早面临枯竭，环境污染问题频发的今天，寻求新能源成了当今世界、当今中国最迫切的选择。
太阳能作为一种清洁的可再生能源，开发利用太阳能，能够同时解决环境污染问题和满足全球范围内日益增长的能源需求。
目前对太阳能的利用主要是基于光伏原理的太阳能电池。
太阳能电池的种类有很多，按照出现的先后顺序，大体可以分为三代。
一代单晶硅、多晶硅太阳能电池是目前市场上的主流产品，工艺成熟，光电转换效率高，但是高纯硅材料成本太高，工艺复杂，限制了它的大规模应用。
二代多元化合物薄膜太阳能电池虽然也有较高的光电转换效率，但是它的一些原材料属稀有元素，而且像镉具有严重的污染性。
这样就催生了三代太阳能电池，该代太阳能电池具有取材广泛、性能提升空间大等诸多优点，虽尚未发展到实际应用阶段，但它们是目前学术界广泛研究的热点。
在三代太阳能电池中，钙钛矿太阳电池（Perovskite Solar Cell, PSC）最近几年发展势头尤为迅猛。
图1是各种太阳能电池效率发展史及最高效率，从图1中可以看到PSC 在2009年效率只有3.8%[2]，到现在已经超过20%，发展速度远远快于同为三代太阳能电池的染料敏化太阳能电池（DSC）和有机聚合物太阳能电池（OPV）。
基于有机金属卤化物的PSC 被认为是近年来光伏领域最重要的发明之一。
自从2012年报道第一篇关于全固态太阳能电池用CH 3NH 3PbI 3作为吸光材料以后，通过调整PSC 内部界面的能级结构和改善控制电池薄膜的质量和形态以及设计一系列不同的电池结构，PSC 的效率不断取得突破。
1975E f f i c i e n c y /%504844403632282420161284019951980200019852005199020102015图1 各种太阳能电池的效率发展史及最高效率41第 9 期 1 钙钛矿太阳电池的发展概况1.1 钙钛矿材料PSC 以钙钛矿吸收层为核心部分，钙钛矿分子微观结构示意图如图2所示。
它的分子式为ABX 3，目前报道的PSC 大部分使用的钙钛矿为CH 3NH 3PbI 3，所以图2中，A 代表甲胺基团位于面心立方晶格顶角位置，B 代表铅原子位于八面体核心，卤素碘原子在八面体顶角。
这种结构的特点是非常稳定，而且中间八面体间隙大，可以填充较大尺寸离子，具有较高的缺陷容忍度。
CH 3NH 3PbI 3 由于具备极好的光学以及电子学特性，在过去20年中作为光学材料被广泛研究。
其直接禁带宽度为1.55eV，对应的吸收截止光波长为800nm，覆盖了整个可见光谱范围，是最佳的光吸收材料之一[4]。
通过光吸收法测试，得到CH 3NH 3PbI 3吸收光产生的光生载流子具备较小的束缚能（约为30meV），表示该光生载流子能够有效分离成自由电荷[5]。
CH 3NH 3PbI 3中载流子扩散长度达到100nm 以上，这预示着其应用于高效率器件成为可能[6-7]。
图2 钙钛矿材料分子结构示意图此外，用其它卤族元素替代I 形成的钙钛矿材料也被广泛研究，其中CH 3NH 3PbBr 3和CH 3NH 3PbI 3-x Cl x 最受关注。
与CH 3NH 3PbI 3比较，Br 的引入会提高钙钛矿导带位置，降低价带位置，从而将CH 3NH 3PbBr 3的直接禁带宽度提升为2.2eV [8-9]。
高导带能级有利于实现钙钛矿与电子选择性接触电极间的电荷注入，可有效提升器件的开路电压[10]。
但是宽禁带会减小钙钛矿材料的吸收光谱范围，CH 3NH 3PbBr 3的吸收截止光波长小于550nm，因而限制了器件的光电流。
此外CH 3NH 3PbBr 3产生的光生载流子有较大的束缚能，约为150meV，因此和CH 3NH 3PbI 3比较，它的光生载流子变成自由电荷更困难[11]。
因此，目前基于CH 3NH 3PbBr 3的PSC 效率一直低于CH 3NH 3PbI 3器件。
与Br 稍有差异，Cl 离子的引入可以同时提高钙钛矿的导带和价带位置，因此最终的直接禁带宽度较CH 3NH 3PbI 3几乎没有变化。
但是这种对导带价带位置的细微调节可以极大促进光生载流子的传输与扩散。
相关实验证明，CH 3NH 3PbI 3-x Cl x 中电子空穴扩散长度均大于1 μm。
1.2 钙钛矿太阳电池的效率发展Kojima 等在2009年首次将钙钛矿材料应用在量子点敏化太阳电池中，得到了3.8%的效率。
随后2011年Park 等[12]通过对TiO 2衬底表面进行修饰，同时优化了钙钛矿的制备工艺，将电池效率做到了6.5%。
但是因为未能解决液态电解质不稳定的问题，电池效率衰减迅速。
2012年Kim 等[13]将一种固态的空穴传输材料spiro-OMeTAD 引入到PSC 中，制备出第一块全固态PSC，电池效率达到9.7%。
即使未经封装，电池在经过500h 后，效率衰减也很少。
空穴传输层（Hole Transport Material, HTM）的使用，初步解决了液态电解质PSC 不稳定与难封装的问题。
252009201120123.8 6.510.915.420.2年份效率/%2013201420151050图3 钙钛矿太阳电池效率发展图随后Snaith 等[14]将Cl 元素引入钙钛矿材料，并使用Al 2O 3替代TiO 2，证明钙钛矿不仅可作为光吸收层，还可作为电子传输层（Electron Transport Material, ETM），所得电池效率为10.9%。
同样是在2012年，瑞士的Etgar 等[15]在氧化钛基底上直接沉积CH 3NH 3PbI 3，形成CH 3NH 3PbI 3/TiO 2异质结，所制备电池效率为5.5%。
这说明钙钛矿材料除可用作光吸收层和ETM 外，还可用作HTM。
自2013年开始，PSC 迅速发展。
首先Grtzel 等人[16]发明了序列沉积方法制备钙钛矿薄膜，电池效率高达15%。
接着Snaith 等[17]采用气相蒸发法制备了全新的平面异质结PSC，效率为15.4%。
随后，Yang 等[18]将溶液法和气相法结合制备了效率为12.1%的PSC。
2014年初，韩国的KRICT 研究所已经将PSC 的转换效率提升到17.9%[19]。
到5月份，Yang 等更是通过掺Y 修饰TiO 2层，将转换效率提升到19.3%[20]。
杨 林等：钙钛矿太阳能电池的研究进展42化工技术与开发 第 44 卷现在KRICT 研究所已经制备出转换效率为20.2%的PSC，并已通过认证，这种发展速度（图3）是前所未有的。
2 钙钛矿电池结构和工作机理PSC 的基本结构如图4所示，包括钙钛矿材料的光吸收层、电子传输层、空穴传输层、工作电极等。
基本光电转换过程如图5所示：1）在光照下，能量大于光吸收层禁带宽度的光子将光吸收层中的价带电子激发至导带，并在价带中留下空穴；2）当光吸收层导带能级高于电子传输层导带能级时，光吸收层的导带电子注入到后者的导带中；3）电子进一步输运至阳极和外电路；4）当光吸收层价带能级低于空穴传输层的价带能级时，光吸收层的空穴注入到空穴传输层中；5）空穴输运至阴极和外电路中电子相遇。
除上述光电能量转化过程外，还存在一些能量损失过程，比如在光吸收层中，高能量激发态的电子/空穴会快速弛豫至导带底/价带顶；在光吸收层两侧界面处，存在电荷复合中心，导致不必要的电荷和能量损失。
改善这些能量损失问题可以有效提高器件的效率。
图4 钙钛矿太阳电池基本结构图5 钙钛矿太阳电池基本工作原理示意图此外，在PSC 的发展过程中，围绕图4所示的基本结构，衍生了其他一系列不同PSC 结构。
图6所示为典型的介孔结构PSC 示意图，其结构组成包括导电玻璃基底、致密层、介孔氧化物层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、金属对电极。
在此结构基础上，Gr ӓtzel 等使用TiO 2并发明两步法获得了15%的转换效率。
Snaith 等将图6中的介孔氧化物层换成绝缘的Al 2O 3材料，制备了介孔超结构型的器件。
进一步，Snaith 等去掉了Al 2O 3层，制备了全新的平面异质结PSC。
同时Grtzel 等还在介孔结构基础上将HTM 层去掉，制备出一种含CH 3NH 3PbI 3/TiO 2异质结的无HTM 层结构。
另外Malinkiewicz 等[21]把钙钛矿吸光层用于有机太阳电池结构，并用PCBM、PEDOT:PSS 分别作为电子传输层和HTM 层，实现了较高的转换效率。
由于CH 3NH 3PbI 3具备双极性载流子输运性质，因此将其用来敏化P 型宽禁带半导体氧化物。
Chen 等[22]在介孔NiO 薄膜上沉积CH 3NH 3PbI 3作为光吸收材料，制备了反式介孔结构的PSC。