钙钛矿太阳能电池的研究进展

2022-03-21版权声明我要投稿

  摘要:钙钛矿太阳能电池以其优异的性能,受到了研究人员的重点关注。通过多年的发展,当前钙钛矿电池的性能得到了显著提升,光电转换效率超过20%,在性能方面已经超过了多晶硅电池。不过其稳定性差、光电转换效率不高等问题依然存在,制约着其未来的发展。文章对钙钛矿太阳能电池的研究进展进行了探讨。

  关键词:钙钛矿太阳能电池;稳定性;高效率;环境友好;

  随着人们对能源需求的不断增加,大量能源被消耗,能源短缺问题已经成为制约经济发展的重要因素,世界各国都越来越重视能源安全问题。煤、石油等传统的化石能源的储量是有限的,而且不可再生,在使用过程中还会产生比较严重的污染问题,因此应用清洁可再生能源来代替化石能源具有重要意义。太阳能是一种可再生、无污染的能源,通过太阳能电池可以将太阳能转化为电能,为人们提供所需要的能源,对于解决能源危机具有重要意义。当前,研究人员非常重视太阳能电池的研究,致力于研发具有较高成本、高效率的太阳能电池。研究人员对钙钛矿电池进行了大量的研究,2009年钙钛矿电池被提出之初,其能量转换效率只有3.8%,随着研究的不断深入,当前钙钛矿太阳能电池的能源转换效率已经达超过了20%,随着技术的进一步发展,钙钛矿太阳能电池的性能会进一步优化,从而推进其实际应用,为人们提供清洁、无污染的能源,推动人类社会的发展。

1 钙钛矿太阳能电池的结构和原理

  1.1 钙钛矿材料的晶体结构

  1839年,研究人员发现了钙钛矿,随着研究的不断深入,1926年得到了钙钛矿的晶体结构。钙钛矿的结构是ABX3结构,A、B、X分别代表有机阳离子、金属离子和卤素基团,在钙钛矿结构中,B原子位于立方晶胞体心处,卤素X原子位于立方体面心,而有机阳离子A则位于立方体顶点位置。A通常是一种大的金属阳离子,包括Ca、Ba、Pb、K以及La到Lu的镧族金属等20多种元素构成,通过合适的有机物取代这些金属阳离子,可以形成有机-无机杂化钙钛矿材料;B为是可以配位形成八面体的M阳离子,包括Pb、Fe、Sn、Nb等;X是能够和A形成配位八面体的卤素阴离子,包括Cl、Br和I等。由于这些结构特点,有机-无机杂化钙钛矿化合物的晶体结构稳定,具有独特的电磁性能,同时具有良好的异构化、吸光性、电催化等活性,成为了一种受到广泛关注的新型功能材料。

  1.2 电池结构原理

  钙钛矿太阳能电池主要包括五部分结构,分别是透明导电玻璃、电子输运层、钙钛矿吸收层、空穴传输层以及金属对电极层。钙钛矿的基本组成和工作原理如图1中所示。

  在光照条件下,卤铅胺钙钛矿化合物(图1(b)中所示为CH3NH3Pb I3)能够吸收光子,在吸收光子后其价带电子会跃迁至导带,然后导带电子会被注入到Ti O2的导带,然后再被传输到FTO,与此同时,空穴传输至有机空穴传输层(HTL),从而电子-空穴对分离,当接通外电路时,电子与空穴的移动将产生电流。

2 钙钛矿太阳能电池研究进展

  近年来钙钛矿太阳能电池迎来了快速发展,研究学者在敏化太阳能电池、有机太阳能电池等研究中积累了大量的技术,这为钙钛矿太阳能电池的研究提供了技术基础。染料敏化太阳能电池的缺点在于,其需要应用到价格昂贵的染料,而且效率也比较低,这些制约了其的发展,而钙钛矿材料不仅具有非常优异的光学性能,而且价格低廉,制备也比较简单,消光系数高,因此具有良好的应用前景。研究人员对钙钛矿太阳能电池的研究起始于2009年,Kojima等[1]在染料敏化太阳能干电池中引入了钙钛矿化合物,其基于液态电解质的钙钛矿CH3NH3Pb Br3和CH3NH3 Pb I3,设计了两种敏化太阳能电池,光电转换效率可以达到3.1%和3.8%。从此之后,研究人员对于钙钛矿太阳能电池进行了大量的研究,通过优化设计来提高其光电转化效率。2011年,Yella等[2]通过优化Ti O2薄膜层厚度,以及采用Pb(NO3)2进行修饰等方式,对钙钛矿太阳能电池进行了改进,有效地提高了其光电转化效率,效率达到了12.3%。在这些早期的研究中,是采用液体作为电解质的进行钙钛矿电池的研究的,在液体电解质中卤铅铵钙钛矿材料的溶解性比较好,会快速溶解,基于这一问题电池的稳定性会比较差,此外应用液态电解质时,电荷在液态电解质中传输,会发生一系列的氧化还原反应,这就会影响到其传输效率,进而影响光电转换效率,导致光电转换效率不高。

  钙钛矿太阳能电池采用液态电解质,会导致电池存在不稳定以及效率低的问题,因此研究人员进行定了改进,用固态电解质取代液态电解质。2013年,韩国研究人员Jeon等[3]采用在FTO衬底上旋涂钛酸二异丙醇二乙酰丙酮酯的醇溶液,并在400℃条件下进行热解的方式,得到了致密的Ti O2,应用这种材料来组装太阳能电池,应用这种方式制作的太阳能电池光电转化效率可以达到12.4%;还有研究人员[4]采用共蒸镀法进行材料的制备,得到了具有较高质量的CH3NH3Pb I3-x Clx钙钛矿材料,应用其制作的太阳能电池光电转换效率能够超过15%,不过这种方法的缺点在于,需要在高真空下进行材料的制备,这就需要应用较为高级的设备,并且消耗的能量也比较大;2014年,研究人员[5]采用气相辅助法进行了钙钛矿材料的制备,采用这种该材料来制作太阳能干电池,其光电转化效率能够达到19.3%;2015年,Wan等[6]直接在氟掺杂的氧化锡包覆的基材生长有效的钙钛矿太阳能电池,其制备的这种太阳能电池并不需要采用任何空穴阻挡层,转换效率可以超过14%,通过其研究表明,在制作钙钛矿太阳能电池时,界面材料不一定要选择二氧化钛,可以应用其他材料。2016年,研究人员[7]通过结合涂布工艺和简易真空工艺进行了钙钛矿太阳能电池的制备,制作出SD卡大小单元尺寸的电池,单元转换效率能够达到20%以上。

3 提高钙钛矿电池性能的方法

  钙钛矿太阳能太阳能电池经过几年的发展,性能得到了极大的提升,同时性能还有较大的提升空间,通过采取优化钙钛矿薄膜的形貌和制备方法、开发和优化电子、传输材料开发和优化空穴传输材料、界面优化和构筑新型电池结构等方面的措施,可以提高其性能。通过优化钙钛矿型材料的形貌,能够有效地提高钙钛矿太阳能电池的性能。研究人员[8]通过采用CH3NH3Cl为形貌控制剂,得到了致密光滑的钙钛矿层,通过这样方式,钙钛矿薄膜结晶对温度、湿度和制备时间的要求都显著降低,而且通过应用这种材料制备的钙钛矿太阳能电池光电转换效率得到了显著的提升。当前,钙钛矿波密的制备方法包括一步旋涂法、二步旋涂法、双源气相沉积法和气相辅助法溶剂法等,通过改进薄膜制备技术,获得纯度更高、缺陷更少、更加致密的钙钛矿薄膜,从而提高钙钛矿太阳能电池的性能。电子传输材料的形态结构直接决定电子传输,对钙钛矿薄膜的生长有着直接的影响,Ti O2和Zn O是常用的钙钛矿电池常用的电子传输材料,当前研究人员试图通过掺杂的技术手段,对电子传输的传导性能进行改进,也研发了也一些新型的电子传输材料,提高能量的传输效率;良好的空穴传输材料应具有良好而空穴传输率以及良好的紫外线和热稳定性,能够和钙钛矿材料之间形成良好的匹配。当前常用的空穴材料是Sprio-OMe TAD,其具有空穴迁移率,但是价格较高。研究人员最近发现氧化镍材料具有优异的空穴传输能力,稳定性更高,电子阻挡能力也更强,非常适合应用于钙钛矿电池的空穴传输层。不过为了得到良好性能的氧化镍薄膜,需要对其加工工艺进行改进,还需要进一步的研究;高效钙钛矿电池采用的是典型的三明治结构,其界面材料需要超过450℃的高温处理,能耗高,而且对高效柔性钙钛矿电池的应用造成了限制,因此当前研究人员致力于对平面异质太阳能电池的界面优化,提高钙钛矿电池的性能,拓展其应用;构筑新型的电池结构也是研究人员研究的而主要方向,通过这样的方式提升钙钛矿太阳能电池的性能。

4 结语

  随着研究的不断深入,钙钛矿电池的性能不断提升,当前其具有和其他类型太阳能相媲美的性能,但是稳定性和光电转换效率等方面的问题依旧制约着其商业化方向的发展,因此还需要研究人员不断深入研究,通过对其进行改进提高稳定性和光电转换效率,从而推动其广泛应用。

参考文献

  [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.

  [2] Yella A, Lee H W, Tsao H N, et al. Porphyrin-sensitized solar cells with cobalt(II/III)-based redox electrolyte exceed 12percent efficiency[J]. Science, 2011, 334(6060):1203-1203.

  [3] Jeon N J, Lee J, Noh J H, et al. Efficient Inorganic Organic Hybrid Perovskite Solar Cells Based on Pyrene Arylamine Derivatives as Hole-Transporting Materials[J]. Journal of the American Chemical Society, 2013, 135(51):19087-90.

  [4] Leyden Matthew R., Jiang Yan, Qi Yabing. Chemical vapor deposition grown formamidinium perovskite solar modules with high steady state power and thermal stability[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2016(10):1039.

  [5] Jingbi You, Song Luo, Yongsheng Liu, et al. Interface engineering of highly efficient perovskite solar cells[J]. Science, 2014(345):542-546.

  [6] Ke W, Fang G, Wan J, et al. Efficient hole-blocking layer-free planar halide perovskite thin-film solar cells[J]. Nature Communications,2015(6):6700.

  [7] XIONG LI, DONGQIN BI, CHENYI YI, et al. A vacuum flash-assisted solution process for high-efficiency large-area perovskite solar cells[J]. Science, 2016, 353(6294):58-62.

  [8] Zhao Y, Zhu K. CH3NH3Cl-Assisted One-Step Solution Growth of CH3NH3PbI3:Structure, Charge-Carrier Dynamics, and Photovoltaic Properties of Perovskite Solar Cells[J]. Journal of Physical Chemistry C, 2014, 118(18):9412-9418.

作者:席梦雅 单位:安徽三联学院基础实验教学中心

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