钙钛矿太阳能电池文献总结报告

• 4）溶液-气相沉积法：以旋涂的方式将含PbI2 的
DMF 溶液涂到TiO2 上, 再将之在150 ℃的 CH3NH3I 蒸汽(N2 氛围) 中热处理2 h, 即可 得到钙钛矿薄膜.
Company Logo
• 在钙钛矿薄膜的制备过程中，溶解过程扮演着一个
制备方法-溶解过程
重要的角色，其中包括Dissolving Precursors（前 驱体溶解）和Solvent Engineering（溶剂工程？ ）两个重要环节。 • 1）Dissolving Precursors 为了得到连续、致密、光吸收密度较好的薄膜层 ，高浓度的前驱体是必不可少的。具有非极性的 DMF，DSMO，GBL等都是合适的溶剂选择，它们 能较好的溶解PbI2或PbCl2的前驱体。 采用混合溶剂也是一个很好的方法，很好的例子 就是将DIO与DMF或者GBL与DMF配置成混合溶剂 ，能得到表面形态更为规整的钙钛矿薄膜。
Company Logo
性能及其作用
• 常见的空穴传输层材料
有机小分子空穴传输材 料
小分子空穴传输层材料具有良好的流动 性，能更好地填充介孔骨架，最常见的是 Spiro-OMeTAD及其改性材料，进行一系列 及其改性材料。 掺杂。 其他有机小分子HTM，如2TAP-n-DP， Fused-F，T102，T103等
Company Logo
性能及其作用
• 空穴传输层（HTL）的性能与作用 • 定义：能够接受带正电荷的空穴载流子并传输的结
构。
HOMO 能级要高于钙钛矿材料的价带最大值, 以便于将空穴从钙钛矿层传输到金属电极。
HTL需要满足的 条件
具有较高的电导率, 这样可以减小串联电阻及 提高FF
HTM 层和钙钛矿层需紧密接触
复合,同时有利于空穴传输, 提高电池性能。 • 2）空穴传输材料具有稳定的热力学和光学性质会 有助于提高电池的稳定性。 • 3）对于介观敏化结构的钙钛矿电池, 空穴传输材 料还应该能够有效填充到介孔相以提高器件效率。
Company Logo
性能及其作用
• 钙钛矿染料敏化层（最常用CH3NH3PbX3，X
将一种固态的空穴传输材料(spiro-OMeTAD) 引入到钙钛矿太阳电池中，取代液态电解质。
• 继续发展

Snaith等人首次将Cl 元素引入钙钛矿中, 并使用Al2O3 替代TiO2, 证明钙钛矿不 仅可作为光吸收层, 还可作为电子传输层。
3
Company Logo
工作原理、结构和性能
工作原理
图a
图b
Company Logo
性能及其作用
• 电子传输层（ETL)的性能与作用 • 1）定义：能接受带负电荷的电子载流子并传输电
子载流子的结构。 • 2）电子传输材料：通常具有较高电子亲和能和离 子势的半导体材料，即n 型半导体。又可以细分为 有机半导体与无机半导体。 • 3）电子传输原理：内建电场驱动的定向漂移与晶 格的热振动造成的散射作用的共同作用。 • 4）影响电子传输效率的因素：半导体材料的能隙 、缺陷和杂质等。
或许是由于非溶剂（甲苯）的 加入，钙钛矿组份会从前驱体 溶液中迅速析出，形成MAI-PbI2DMSO 中间相，且结晶度很好。
最后一步，在100℃环境 下annealing（退火？）10分钟，除 去中间相中的DMSO得到MAPBI3 钙钛矿结构。
Company Logo
制备方法-溶解过程
• fast deposition–crystallization
电池结构
• 第二类：平板型异质结结构（平面结构），又可以
细分为正置结构（regular planar structure）如 图b，和倒置结构（inverted planar structure） 如图c。
图（b）n- i- p 结构
图（c）p- i -n结构
Company Logo
电池结构
• 第三类：无HTM（空穴传输层）结构，如图a。 • 第四类：有机结构，如图b。
可制备高效柔性器件
Company Logo
制备方法及性能稳定性的影响因素
钙钛矿薄膜的制备方法
一步溶液法
两步溶液法
蒸发法
溶液-气相沉积 法
24
Company Logo
制备方法
Company Logo
制备方法
• 1）一步法：将PbX2 与CH3NH3I 以一定的摩
尔比例混合，溶于DMF溶液中，以旋涂或是滴涂 的方式将溶液沉积到ETM 中。随后对薄膜进行热 处理，即可形成钙钛矿薄膜材料。
OMeTAD/Perovskite 两异质结处同时分离, 去向 有：
Company Logo
电池结构
• 常见的钙钛矿太阳能电池结构：包括FTO
导电玻璃 、TiO2 致密层、TiO2 介孔层、钙钛矿层、HTM 层 、金属电极. • 第一类：介孔结构（图a）、介观超结构（图b）
图a
图b
Company Logo
代表卤素，钙钛矿材料作为光吸收层，夹在ETL与 HTL之间，构成太阳能电池的最主要的P-I-N结 构。） • 1）晶型结构：这种ABX3 型钙钛矿结构以金属 Pb 原子为八面体核心、卤素Br 原子为八面体顶 角、有机甲氨基团位于面心立方晶格顶角位置。 • 2）作用：钙钛矿作为吸收层, 在电池中起着至关 重要的作用。是光生电子与空穴产生的场所，是整 个钙钛矿太阳能电池的核心。
如PEDOT:PSS，P3HT，PTAA等
聚合物空穴传输层材料
无机空穴传输层
如CuSCN、CuI、NiO等
无空穴传输层
有机无机复合钙钛矿材料本身具有ｐ－ 、 ｎ－双极性，电子、空穴传导能力都很强， 因此其自身即可以作为空穴传输。
Company Logo
性能及其作用
• 新型空穴传输材料（1）
对传统的spiro-OMeTAD材料进行掺杂， 如掺杂Li-TFSI和TBP。 联噻吩将四个三苯胺单元相连合成
Company Logo
性能及其作用
• 常见的电子传输层材料
TiO2
金属氧化物 ZnO
WO3等
有机小分子 富勒烯及其衍生物 通过绝缘材料框架与TiO2构成复合材料 如TiO2/AI2O3。
复合材料 石墨烯/TiO2 纳米颗粒复合材料，并掺 纳米颗粒复合材料 杂其他元素，如钇。
Company Logo
性能及其作用
• 电子传输层作用 • 1）促使光生电子空穴对分离，提高电荷分离及传
输效率，避免电荷积累对器件寿命的影响。 • 2）电子传输材料经常被用于形成介观框架，起一 个支撑作用。 • 3）缩短光生电子从钙钛矿体内到n 型半导体间的 迁移距离, 能有效降低复合率。
现不少无空穴传输层的钙钛矿 太阳能电池取得高效率的报道 ，但并没有高效无电子传输层 钙钛矿太阳能电池器件的相关 报道。
三者相互制约、相互 影响。
性能及 其作用 电池结构
4
Company Logo
工作原理
• 典型钙钛矿太阳能电池工作示意图
Company Logo
工作原理
太阳光照射下 钙钛矿染料敏化层 吸收光子产生 电子-空穴对，并 且脱离束缚形成 自由载流子
由于钙钛矿型材料具 有high dual Electron、hole Mobility、large absorp -tion coefficients、favorable band gap、strong defect Tolerance、shallow point Defects、benign grain boundary recombination Effects等优良性能，载流子复合 机率小，迁移率高
钙钛矿太阳能电池文献报告
文献总结 学生 陈麒
Company Logo
目
录
1 2 3
发展历史
工作原理、结构和性能 制备方法及性能稳定性的影响因素
缺陷及其未来发展方向
4
2
Company Logo
发展历史
• 起始

• 发展

源于染料敏化太阳能电池，但存在致命的缺陷， 液 态电解质会溶解或者分解钙钛矿敏化材料，使电池失 效。
Company Logo
制备方法-前驱体的作用
• 1）氯在薄膜制备中的作用
Lee小组采用PbCl2与MAI作为前驱体溶液，并声称得到的产 物为MAPbI3xClx。 • 最近有研究高度评价了CI元素在MAPbI3xClx型钙钛矿太 阳能电池中发挥的作用：①比MAPbI3钙钛矿太阳能电池拥 有更长的电荷传输距离；②CI能够促进形核，有利于钙钛 矿晶体的生长，得到较大的晶体结构，而且薄膜更好的包裹 基底。③CI离子原子能在TiO2界面处产生键带偏移，改善 电荷收集效率。 • 但是CI原子是否存在于晶体结构点阵上、表面或间隙处仍 不确定，以及CI-如何影响晶体结构仍需要探索。
了KTM3. KTM3，并掺杂钴化合物 三苯胺衍生物(H101) 以三蝶烯为核的三苯胺空穴传输材 ,T101、T102、T103 以平面胺基和三苯胺为核心的两种 三苯胺衍生物，OMeTPA-FA 和 OMeTPA-TPA PNBA
其他三苯胺类小分子空穴 传输材料： 以三苯胺作为核心结构单 元。
非三苯胺类含氮小 分子空穴传输材料
procedure(FDC) 与Solvent Engineering有异 曲同工之妙，除了将甲苯替换成氯苯加入到体系中 • 而Spiccia小组没有在体系中加入DMSO，故当钙 钛矿组分从前驱体溶液中刚析出就能立刻形成钙钛 矿晶体结构。而且这种工艺下得到的薄膜层更厚、 更大以及没有明显的晶界，更有利于薄膜完美覆盖 在基底上。
• 2）两步法：将PbI2 粉末溶于DMF 溶液中，
70℃加热搅拌至澄清后旋涂到介孔TiO2 上; 晾干 后，将衬底浸入含CH3NH3I 的异丙醇溶液中， 随后热处理即可制得钙钛矿薄膜。
Company Logo
制备方法
• 3）蒸发法：控制PbI2 和CH3NH3I 的蒸发速
率来控制钙钛矿薄膜的组成，由此形成了一种新型 的平面异质结型钙钛矿太阳电池。
Company Logo
工作原理
电子通过电子传输 层（ETL），最后被 FTO收集；空穴通过空 穴传输层（HTL），最 后被金属电极收集。
最后将FTO与金属电极 连接成电路而产生光 电流。
Company Logo
工作原理
• 钙钛矿太阳能电池电荷传输机制
Company Logo
工作原理
• 电子-空穴对在TiO2/Perovskite 和spiro（1）电子注入到TiO2（ETL) （2）空穴注入到HTL （3）光致发光现象 （4）电子与空穴的复合 （5）、（6）电子和空穴的反向传输 （7）TiO2/HTM 界面处的载流子复合
Company Logo
性能及其作用
• 3）结构特点： • ①卤素八面体共顶点连接, 组成三维网络, 根据
Pauling 的配位多面体连接规则, 此种结构比共棱 、共面连接稳定； • ②共顶连接使八面体网络之间的空隙比共棱、共面 连接时要大, 允许较大尺寸离子填入；
Company Logo
性能及其作用
Company Logo
制备方法-前驱体的作用
• 4） CH3NH3PbX3钙钛矿材料的主要优势
能同时高效完成入射光的吸收、光生载 流子的激发、输运、分离等多个过程.
能带宽度较佳,约为1.5 eV; 具有极高 的消光系数, 光吸收能力很强，光吸 收范围广泛。 此类钙钛矿材料能高效传输电子和空穴, 其电子/空 穴输运长度大于1微米; 载流子寿命远远长于其它太 阳能电池。 在全光照下能产生很高的开路电压。. 结构简单，低成本温和条件制备。
Company Logo
制备方法-溶解过程
• 2）Solvent Engineering
采用GBL与DMSO的混合溶 剂（体积比为7:3），形成前驱 体后进行旋涂，GBL在 旋涂过程中会挥发。
接着，将甲苯（Toluene）滴 入在旋涂形成的薄膜上。
Company Logo
制备方法-溶解过程
这种方法最终得到了完整和有序的薄膜层 ，粒径分布在100-500nm，而且薄膜可以 完全覆盖基底，没有缺陷。正是在这种工 艺下，SEOK小组获得了认证效率达 16.2%的钙钛矿太阳能电池器件。
DEH
N, N-二对甲氧基苯基胺取代的 芘衍生物(Py-A, Py-B, Py-C),
Company Logo
Βιβλιοθήκη Baidu
性能及其作用
• 新型空穴传输材料（2）
含硫基团小分子空穴传输材料
含硫聚合物空穴传输材料
含氮聚合物空穴传输材料
Company Logo
性能及其作用
• 空穴传输层（HTL）的作用 • 1）促使电子和空穴在功能层界面分离, 减少电荷