钙钛矿太阳能电池调研报告

平面异质结钙钛矿太阳能电池
2.2 PSCs各层材料
能级：电子传输材料（左）吸收层（中）HTM（右）
吸光层材料（ABX3）
A离子：CH3NH3+ NH2CH=NH2+ 5-AVA （HOOC(CH2)4NH3+） Cs+等 B离子：Pb2+ Sn2+ C离子： I- Cl- Br-
例如：CH3NH3PbI3-xBrx CH3NH3SnI3-xBrx
CH3NH3PbI3-xClx CH3NH3SnI3-xClx
Hole transport materials（HTM） spiro—OMeTAD
PEDOT:PSS
无机空穴传输材料：碘化铜CuI、氧化镍NiO、氧化石墨烯 、CuSCN、碳材料等
电子传输层材料（ETM）
n-type TiO2致密层----起传输电子、阻挡空穴的作用 ZnO、PCBM、
对电极材料
金属：Au、Ag、Al、纳米银墨水 新材料：碳材料（Carbon)、炭黑等
介孔支架材料
Al2O3 ZrO2 ZnO TiO2
2.3 PSC制备方法、仪器、工业化技术
Process for preparing the perovskite-based solid-state solar cell
2011年[1]，研究者将实验方案进行了改进与优化，制备的 CH3NH3PbI3量子点达到2-3nm,电池效率增加了一倍达到了6.54%。
但是，由于部分金属卤化物在液态电解质中发生溶解，很大 程度上降低了电池的稳定性与使用寿命，这是该电池的致命的缺 点。
[1]. J.-H. Im, et al. Nanoscale, 2011, 3 : 4088-4093.
牛津大学物理系Henry Snaith课题组
Snaith已创建Oxford Photovoltaics Ltd公司 ，开展钙钛矿太阳电池的 产业化研究.
http://www2.physics.ox.ac.uk/research/photovoltaic-and-optoelectronic-device-group
钙钛矿匀涂制作过程
溶液法（一步法）
溶液法（两步法）
与一步法的区别在于：
先在二氧化钛或二氧化钛基质孔中形成层状碘化 铅（PbI）-非真空旋涂或真空沉积。 再将碘化铅薄膜沉浸在含CH3NH3I的溶液中。 其余步骤与一步法类似。
共蒸发法、溶液-蒸发法
共蒸发法：将PbI3和CH3NH3I两 种前驱体气化在沉底材料上沉积 CH3NH3PbI3薄膜，如右图所示。 溶液-蒸发法：在导电玻璃上制 备致密二氧化钛层，在二氧化钛层 上用溶液法沉积碘化铅膜，接着在 150℃下，CH3NH3I蒸气中退火2小时 ，形成钙钛矿薄膜。
[2]Zhou H, Chen Q, Li G, et al. Interface engineering of highly efficient perovskite solar cells[J]. Science, 2014, 345(6196): 542-546.
钙钛矿太阳能电池效率发展
钙钛矿太阳能电池优势
2014年2月
传统PV与牛津PV对比情况
斯坦福大学McGehee教授课题组
Stanford Materials Science & Engineering
http://web.stanford.edu/group/mcgehee/research.html
hybrid tandem solar cell
钙钛矿 CH3NH3PbX3结构
1. Light extinction coefficiency 10 times higher than Dyes 2. Stability 3. Bandgap controllable
CH3NH3PbX3晶体结构随温度变化而变化
-111℃以下
正交结构
-111℃-54 ℃
范斌的惟华光能团队制作了尺寸 为20*20cm的大面积有机钙钛矿太阳能 组件，以FTO电极为阴极，以氧化锌为 阴极缓冲层，有机钙钛矿层为三碘化甲 胺铅，以Spiro-OMeTAD为空穴传输层， 以纳米银颗粒墨水制作背电极。这些材 料层分别用狭缝涂布、喷墨印刷等工艺 涂布在FTO电极上。 在AM1.5标准光源照射下，该组件的 光电转化效率达到8.1%。
2012年[1]，科学家将一种固态的空穴导体材料(hole transporting materials ,简称HTM)引入到太阳能电池中，使得电 池效率达到10%左右。 HTM的使用，解决了电池的不稳定与难封装的问题，使得电池的商 业价值增加。再加上电池的效率大幅增加，并还有进一步提升的可 能性，正式开启了钙钛矿太阳能电池的研究热点。
四方结构
54 ℃以上
立方结构
四方时为铁电晶体顺电 相 猜想：四方结构时 晶体自发极化，电荷中 心偏移，使得电子空穴 得以分离，离开相应晶 胞？
CH3NH3PbX3遇水分解（稳定性问题）
能带角度理解
单纯从能量的角度看： 吸光层产生电子-空穴对后，子 由吸光层材料(CH3NH3PbX3)的导 带传输到导带能量较低的ETM材 料(TiO2)上，随后到达FTO；空穴 由吸光层材料的价带传输到费米 能级较高的C材料上。
钙钛矿太 阳能电池
CIGS Solar Cells
Graphene
http://yylab.seas.ucla.edu/research.aspx
Interface engineering of highly efficient perovskite solar cells
[1]Zhou H, Chen Q, Li G, et al. Interface engineering of highly efficient perovskite solar cells[J]. Science, 2014, 345(6196): 542-546.
[1] Kojima A, Teshima K, Shirai Y, et al. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells[J]. Journal of the American Chemical Society, 2009, 131(17): 6050-6051.
[3]. Jin Hyuck Heo, Sang Hyuk Im, et al. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 20717−20721
目前最高效率的钙钛矿太阳能电池为加利福尼亚大学杨阳教 授课题组的19.3%[2]。
2014年第一期英国《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。
1. 研究背景
太阳能是一种丰富的清洁安全无污染的能源，充分研究开发 好太阳能对人类社会的可持续发展极其重要。太阳能电池能够将 太阳光转化为电能，研究开发出廉价高效的太阳能电池是市场所 期待的。目前，传统硅系太阳能电池虽然仍占据着主要的市场份 额，但因其诸多缺点使得太阳能电池的大面积推广使用障碍重重 。为进一步解决这些问题，新一代太阳能电池如染料敏化、有机 太阳能电池、量子点太阳能电池等研究热潮不断兴起。虽然近年 来这些新型的太阳能电池效率取得长足进步，但依然困难重重、 不能满足当前太阳能电池技术快速发展的需求。
国内主要研究机构情况
厦门惟华
惟华光能团队研发的钙钛矿电池 （0.1cm2的小面积电池）由10%的效率 提高到19%！
[1] http://www.weihua-solar.com/show_news.aspx?NewsId=72 [2]范斌,白华,蔡龙华,陈凯武,寇旭,梁禄生,王保增. 大面积有机钙钛矿太阳能组件 [A]. 中国化学会.中国化学会第29届学术年会摘要集——第25分会：有机光伏[C]. 中国化学会:,2014:1.
工作特色：
1、Y:TiO2 通过掺杂Y元素增加载流子浓度使得导电性提高（从 TiO2:6×10-6S/cm到Y:TiO2：5×10-5S/cm），增强电子抽取与传输 。 2、ITO/PEIE：PEIE（CH2CH2NH）n可减小ITO的功函数、同时具有吸 湿性。 3、Co/Li 共掺杂spiro-oMeTAD 利于空穴抽取。 4、钙钛矿生长过程，30%相对湿度，存在reconstruction process, 利于减少缺陷密度，生长高质量的CH3NH3PbI3-xClx晶体.
钙钛矿太阳能电池发展历程
2. 文献调研
2.1 钙钛矿太阳能电池原理与结构
钙钛矿太阳电池（Perovskite Solar Cells）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。
总评：采用多方面的改进手段，取得目前最高的电池效率！
韩国成均馆大学Nam-Gyu Park 课题组
High-Efficiency Perovskite Solar Cells Based on the Black Polymorph of HC(NH2)2PbI3
[1]Lee J W, Seol D J, Cho A N, et al. High‐Efficiency Perovskite Solar Cells Based on the Black Polymorph of HC (NH2) 2PbI3[J]. Advanced Materials, 2014, 26(29): 4991-4998.
钙钛矿太阳能电池调研报告
报 告 人：李小磊
指导老师：王金斌（教授） 报告日期： 2014年08月27日
Contents
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Click to add Title 研究背景
Click to add Title 文献调研
Click to add Title 文献研读想法汇总 Click add Title 致to 谢
Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition
PCE=15.4%
Henry Snaith2010年创办的牛津光伏公司
Oxford PV ’sPhotovoltaic Cell Technology
2009年， Akihiro Kojima[1]首次将CH3NH3PbI3和 CH3NH3PbBr3制备成量子点(9-10nm)应用到太阳能电池中(染料 敏化太阳能电池，简称DSSC), 研究了在可见光范围内，该类 材料敏化TiO2的太阳能电池的性能。最后，获得了3.8%的光电 效率,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。
常用仪器设备
手套箱 旋涂仪
真空干燥箱
光伏电池测试系统
工业化量产技术-卷对卷技术
卷对卷设备实物图
工业化量产技术-丝网印刷技术
工业化量产技术-喷雾成膜技术
静电纺丝和静电喷雾工艺示意图
2.4 PSC领域国内外顶尖课题组情况
加利佛尼亚大学Yang yang杨阳题组
主要研究 兴趣
Organic Solar Cells
因此，选择各功能层材料时要 选择能带比较搭配的材料，利于 电子-空穴的分离及传输。
形象化p-i-n结（内建电场）角度理解
该结构类似于薄本征层异质结HIT太阳能电池
三洋双面HIT结构示意图
钙钛矿太阳能电池基本结构示意图
Baidu Nhomakorabea
介孔超结构钙钛矿太阳能电池
TiO2与Al2O3介孔支架材料
主要是由于TiO2与Al2O3的带 隙不同，Al2O3为绝缘材料（ 带隙: 7-9 eV）. 研究结果表明： CH3NH3PbI3的电子传输性能 优于TiO2，故采用Al2O3作为 介孔支架材料使得电子通过 CH3NH3PbI3传输到电极材料 中。