新型結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池

朱彤珺++云天英

摘 要：當(dāng)前，以鈣鈦礦材料為基礎(chǔ)的太陽(yáng)能電池成為一種新型的太陽(yáng)能電池，并逐漸被人們關(guān)注。本文就鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的幾種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，了解他們的結(jié)構(gòu)性能以及優(yōu)勢(shì)不足等。

關(guān)鍵詞：鈣鈦礦；材料；結(jié)構(gòu)；太陽(yáng)能電池器件

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

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是一種新型的太陽(yáng)能電池，該電池以染料敏化太陽(yáng)能電池作為基礎(chǔ)和前提，這種新型的太陽(yáng)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(yáng)能電池的相同的器件結(jié)構(gòu)，不同的是使用CH3NH3PbI3或 CH3NH3PbBr3代替染料敏化電池中的有機(jī)染料。與傳統(tǒng)的染料敏化太陽(yáng)能電池相比較，取得了更好的器件性能和更高的光電轉(zhuǎn)化效率。當(dāng)前這種以鹵化甲胺鉛為材料的太陽(yáng)能電池有著很好的應(yīng)用前景，因此成為研究關(guān)注的重點(diǎn)。

1 介孔結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池

這種太陽(yáng)能電池以光陽(yáng)極、光吸收材料、空穴傳輸材料以及對(duì)電極為主要部分。與染料敏化太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)以及載流子的傳輸電方式都是相同的。該種類型的太陽(yáng)能電池中的電解質(zhì)分為固液兩種形態(tài)。由于液態(tài)電解質(zhì)會(huì)對(duì)CH3NH3PbI3表現(xiàn)出很強(qiáng)的腐蝕性，且主要通過(guò)氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電荷的傳輸，傳輸效率并不高，因而制作出的太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率不高。

為了使介孔結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池得性能得以優(yōu)化與改善，研究者進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)。對(duì)于光陽(yáng)極，改變二氧化鈦表面的性質(zhì)，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(zhuǎn)化率提高到11.7%。以喹嗪啶為基礎(chǔ)的有機(jī)材料的出現(xiàn)，使得固態(tài)太陽(yáng)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(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了7.5%[1]。

介孔結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)不會(huì)隨意發(fā)生變化，比較穩(wěn)定，研究者可以通過(guò)研究染料敏化太陽(yáng)能電池取得的一系列成果，對(duì)其進(jìn)行類似的分析和制備。這種太陽(yáng)能電池缺點(diǎn)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(jié)構(gòu)缺陷，因此光電轉(zhuǎn)化能力也會(huì)受到影響。

2 介觀超結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池

為了減少能量的消耗，研究者制備出了介觀超結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，該種結(jié)構(gòu)的電池借助CH3NH3PbI材料本身傳輸光生電子，提高了太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率。盡管超結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池該結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池與介孔結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)是相同的，但它們的電子傳輸機(jī)制卻是存在差異的。由于該結(jié)構(gòu)的電子沒(méi)有注入支撐層材料，能夠減少電子注入的損失，使光電轉(zhuǎn)換效率得到提升。在該結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)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(zhǎng)，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(wèn)題，傳輸電子時(shí)，在界面被缺陷俘獲，從而降低器件的光電轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)器件的迅速發(fā)展。

3 平面異質(zhì)結(jié)型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池

平面異質(zhì)結(jié)型鈣鈦礦太陽(yáng)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(gòu)成的，不需要三維骨架材料進(jìn)行支撐的，該電池有著更加簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，制備也比較方便，因此受到很多人的關(guān)注。

二維平面鈣鈦礦太陽(yáng)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(qū)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(zhì)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(zhuǎn)換效率不高。為提高薄膜質(zhì)量，Snaith等利用PbI2和CH3NH3I作為蒸鍍?cè)?，通過(guò)雙源共蒸法制備CH3NH3PbI3光吸收層，[2]使得薄膜不平整的問(wèn)題得以解決，提高了光電轉(zhuǎn)換效率。此外，還有很多人通過(guò)各種形式提高平面鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

相比于空間三維骨架的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，平面異質(zhì)結(jié)型的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，并且可以利用當(dāng)前已有的真空蒸鍍工藝和設(shè)備，就能夠制備性能良好的太陽(yáng)能電池器件。另外，該結(jié)構(gòu)中由于界面較少，使得界面上的缺陷會(huì)大大減少，進(jìn)而可以改善器件性能。因此這種太陽(yáng)能電池將有良好的發(fā)展前景。

4 微觀異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池

為了降低鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的成本，Gratzel等在介孔結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上制備出了CH3NH3PbI3/TiO2 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的電池器件，將價(jià)格昂貴的空穴傳輸層直接去掉， 形成了一種無(wú)空穴傳輸層新型電池結(jié)構(gòu)，據(jù)報(bào)道，該種器件獲得了5.5%的光電轉(zhuǎn)換效率。微觀異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池與其結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池的不同之處就是它內(nèi)部沒(méi)有空穴傳輸材料。

為了使鈣鈦礦太陽(yáng)能電池得成更低，Ku等使用更加廉價(jià)的絲網(wǎng)印刷工藝研制備出了一種新微觀異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)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(duì)電極也被更加便宜的碳材料代替，進(jìn)一步降低了太陽(yáng)能電池的制造成本。

微觀異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池在制備過(guò)程中需要制備很多微界面以形成異質(zhì)結(jié)，該工藝過(guò)程使得電池器件制備變得復(fù)雜。另外，大量的微界面雖然增加器件對(duì)太陽(yáng)光的吸收效率，但也會(huì)在器件中形成光生電子、空穴的復(fù)合中心。

5 結(jié)束語(yǔ)

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，因?yàn)橹苽涔に嚤容^簡(jiǎn)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(guān)注。只幾年時(shí)間，鈣鈦礦太陽(yáng)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(zhuǎn)換效率也比之前提升了5倍多。由此可見(jiàn)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的發(fā)展空間和前景是極好的。目前我國(guó)還是將主要的精力放在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電 轉(zhuǎn)換效率提升上，對(duì)于其長(zhǎng)期穩(wěn)定的發(fā)展研究還不多，如果要想鈣鈦礦太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的發(fā)展就必須要解決這一問(wèn)題。

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