新型結構的鈣鈦礦太陽能電池

朱彤珺,云天英

（河南工程學院,鄭州 451191）

新型結構的鈣鈦礦太陽能電池

朱彤珺,云天英

（河南工程學院,鄭州 451191）

當前，以鈣鈦礦材料為基礎的太陽能電池成為一種新型的太陽能電池，并逐漸被人們關注。本文就鈣鈦礦太陽能電池的幾種結構進行分析，了解他們的結構性能以及優(yōu)勢不足等。

鈣鈦礦；材料；結構；太陽能電池器件

鈣鈦礦太陽能電池是一種新型的太陽能電池，該電池以染料敏化太陽能電池作為基礎和前提，這種新型的太陽能電池是在2009年，由Kojima等人提出的，依舊使用與染料敏化太陽能電池的相同的器件結構，不同的是使用CH3NH3PbI3或CH3NH3PbBr3代替染料敏化電池中的有機染料。與傳統(tǒng)的染料敏化太陽能電池相比較，取得了更好的器件性能和更高的光電轉化效率。當前這種以鹵化甲胺鉛為材料的太陽能電池有著很好的應用前景，因此成為研究關注的重點。

1　介孔結構鈣鈦礦太陽能電池

這種太陽能電池以光陽極、光吸收材料、空穴傳輸材料以及對電極為主要部分。與染料敏化太陽能電池的結構以及載流子的傳輸電方式都是相同的。該種類型的太陽能電池中的電解質分為固液兩種形態(tài)。由于液態(tài)電解質會對CH3NH3PbI3表現(xiàn)出很強的腐蝕性，且主要通過氧化還原反應實現(xiàn)電荷的傳輸，傳輸效率并不高，因而制作出的太陽能電池光電轉換效率不高。

為了使介孔結構的鈣鈦礦太陽能電池得性能得以優(yōu)化與改善，研究者進行了相應的改進。對于光陽極，改變二氧化鈦表面的性質，使其能夠與鈣鈦礦的電子耦合，使得鈣鈦礦電池器件的光電轉化率提高到11.7%。以喹嗪啶為基礎的有機材料的出現(xiàn)，使得固態(tài)太陽能電池空穴傳輸材料的有了更好的選擇。在光吸收材料方面，使用NH2CH==NH2PbI3作為光吸收層材料，使鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率達到了7.5%[1]。

介孔結構的鈣鈦礦太陽能電池的結構不會隨意發(fā)生變化，比較穩(wěn)定，研究者可以通過研究染料敏化太陽能電池取得的一系列成果，對其進行類似的分析和制備。這種太陽能電池缺點是器件內(nèi)部含有多孔的納米氧化物層，增加了器件制備難度，另外，電池內(nèi)部也容易出現(xiàn)結構缺陷，因此光電轉化能力也會受到影響。

2　介觀超結構異質結型鈣鈦礦太陽能電池

為了減少能量的消耗，研究者制備出了介觀超結構異質結型鈣鈦礦太陽能電池，該種結構的電池借助CH3NH3PbI材料本身傳輸光生電子，提高了太陽能電池光電轉換效率。盡管超結構鈣鈦礦太陽能電池該結構的太陽能電池與介孔結構的鈣鈦礦太陽能電池的結構是相同的，但它們的電子傳輸機制卻是存在差異的。由于該結構的電子沒有注入支撐層材料，能夠減少電子注入的損失，使光電轉換效率得到提升。在該結構鈣鈦礦太陽能電池中，由于光在氧化物骨架材料上出現(xiàn)漫反射，使得入射光在器件內(nèi)部的光程變長，增加了光利用率，但是這種方式卻不能避免電池內(nèi)部界面上存在大量缺陷的問題，傳輸電子時，在界面被缺陷俘獲，從而降低器件的光電轉換效率。另外，鈣鈦礦材料自身不夠穩(wěn)定，以及材料電子傳輸水平低下也限制了該結構器件的迅速發(fā)展。

3　平面異質結型鈣鈦礦太陽能電池

平面異質結型鈣鈦礦太陽能電池是由一層鈣鈦礦吸收層夾在電子傳輸層和空穴傳輸層之間構成的，不需要三維骨架材料進行支撐的，該電池有著更加簡單的結構，制備也比較方便，因此受到很多人的關注。

二維平面鈣鈦礦太陽能電池是由Lee提出的。Lee制備這種電池使用溶液一步法，該方法是將鈣鈦礦層制備成前驅液然后旋涂成膜，這種方法產(chǎn)生的鈣鈦礦薄膜均勻性不好，很難獲得高質量、高覆蓋率的薄膜，因此使用一步溶液法制備的電池光電轉換效率不高。為提高薄膜質量，Snaith等利用PbI2和CH3NH3I作為蒸鍍源，通過雙源共蒸法制備CH3NH3PbI3光吸收層，[2]使得薄膜不平整的問題得以解決，提高了光電轉換效率。此外，還有很多人通過各種形式提高平面鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率。

相比于空間三維骨架的鈣鈦礦太陽能電池，平面異質結型的結構更加簡單，并且可以利用當前已有的真空蒸鍍工藝和設備，就能夠制備性能良好的太陽能電池器件。另外，該結構中由于界面較少，使得界面上的缺陷會大大減少，進而可以改善器件性能。因此這種太陽能電池將有良好的發(fā)展前景。

4　微觀異質結太陽能電池

為了降低鈣鈦礦太陽能電池的成本，Gratzel等在介孔結構基礎上制備出了CH3NH3PbI3/TiO2異質結結構的電池器件,將價格昂貴的空穴傳輸層直接去掉,形成了一種無空穴傳輸層新型電池結構,據(jù)報道，該種器件獲得了5.5%的光電轉換效率。微觀異質結太陽能電池與其結構的太陽能電池的不同之處就是它內(nèi)部沒有空穴傳輸材料。

為了使鈣鈦礦太陽能電池得成更低，Ku等使用更加廉價的絲網(wǎng)印刷工藝研制備出了一種新微觀異質結太陽能電池，該電池不僅內(nèi)部不使用空穴傳輸材料，并且金、銀等對電極也被更加便宜的碳材料代替，進一步降低了太陽能電池的制造成本。

微觀異質結太陽能電池在制備過程中需要制備很多微界面以形成異質結，該工藝過程使得電池器件制備變得復雜。另外，大量的微界面雖然增加器件對太陽光的吸收效率，但也會在器件中形成光生電子、空穴的復合中心。

5　結束語

鈣鈦礦太陽能電池，因為制備工藝比較簡單，成本低廉，從2009年這種材料被發(fā)現(xiàn)后就得到了極為廣泛的關注。只幾年時間，鈣鈦礦太陽能電池就從液態(tài)發(fā)展成為全固態(tài)形式，也從三維發(fā)展到了平面二維，光電轉換效率也比之前提升了5倍多。由此可見，鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展空間和前景是極好的。目前我國還是將主要的精力放在鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率提升上，對于其長期穩(wěn)定的發(fā)展研究還不多，如果要想鈣鈦礦太陽能電池實現(xiàn)商業(yè)化的發(fā)展就必須要解決這一問題。

[1]陳海軍,王寧,何泓材.基于鈣鈦礦材料的新型結構太陽能電池器件[J].電子元件與材料,2014(11):24-28.

[2]宋志浩,王世榮,肖殷,李祥高.新型空穴傳輸材料在鈣鈦礦太陽能電池中的研究進展[J].物理學報,2015(03):9-25.

[3]丁雄傑,倪露,馬圣博,馬英壯,肖立新,陳志堅.鈣鈦礦太陽能電池中電子傳輸材料的研究進展[J].物理學報,2015(03):105-115.

[4]鄧林龍,謝素原,黃榮彬,鄭蘭蓀.鈣鈦礦太陽能電池材料和器件的研究進展[J].廈門大學學報(自然科學版),2015(05):619-629.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.056