新型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展

王曉琳，馮祖勇，吳 楠，羅 潔，朱燕娟，唐新桂

(廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，廣東 廣州510006)

新型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展

王曉琳，馮祖勇，吳 楠，羅 潔，朱燕娟，唐新桂

(廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，廣東 廣州510006)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是解決目前日益嚴(yán)重的能源與環(huán)境問(wèn)題的一種有效手段，在最近幾年里，新型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池得到迅猛發(fā)展，其最高光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到20%,已成為可再生能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是以具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機(jī)-金屬鹵化物等作為核心光吸收、光電轉(zhuǎn)換、光生載流子輸運(yùn)材料的太陽(yáng)能電池，具有能量轉(zhuǎn)換高和成本低的優(yōu)點(diǎn)且其核心光電轉(zhuǎn)換材料具有廉價(jià)、容易制備的特點(diǎn)，因此獲得了學(xué)術(shù)界的特別關(guān)注。首先總結(jié)了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)與原理，然后綜述了鈣鈦礦太陽(yáng)電池在結(jié)構(gòu)和材料方面的最新研究進(jìn)展，特別是無(wú)鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的一些研究, 最后分析了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的發(fā)展趨勢(shì)及發(fā)展中亟需解決的問(wèn)題。

鈣鈦礦；太陽(yáng)能電池；有機(jī)-無(wú)機(jī)金屬鹵化物；光電轉(zhuǎn)換效率；無(wú)鉛

WANG Xiaoling, FENG Zuyong, WU Nan, LUO Jie, ZHU Yanjuan, TANG Xingui

(School of Physics and Optoelectronic Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

1 前 言

太陽(yáng)能可為人類(lèi)社會(huì)發(fā)展提供取之不盡用之不竭的清潔能源，是人類(lèi)社會(huì)應(yīng)對(duì)能源危機(jī)、解決環(huán)境問(wèn)題、尋求可持續(xù)發(fā)展的重要對(duì)策。太陽(yáng)能光伏電池(簡(jiǎn)稱(chēng)太陽(yáng)能電池，Solar Cell)是通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能，是目前太陽(yáng)能使用的主要方式。傳統(tǒng)的硅基太陽(yáng)能電池存在制作成本高、工藝復(fù)雜等不足，因此尋求高效率、低成本、易封裝的太陽(yáng)能電池一直是科學(xué)家們追求的目標(biāo)。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在2009年第一次被提出，2012年8月以后，人們對(duì)此類(lèi)新型電池的研究取得了一系列的重大突破[1-6]，國(guó)際學(xué)術(shù)界對(duì)此高度重視。圖1對(duì)比了幾種薄膜太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率近20年來(lái)的提升情況[7]。相比于有機(jī)聚合物(OPV)、染料敏化(DSSC)和非晶硅(ɑ-Si)太陽(yáng)能電池，在短短幾年內(nèi)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率從2009年的3.8%快速提高到2014年的19.3%，在國(guó)際上掀起了研究的熱潮。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的發(fā)展如此迅速，被《Science》雜志評(píng)為2013年的十大科學(xué)突破之一。2009年日本科學(xué)家Miyasaka首次報(bào)道的該類(lèi)電池的光電轉(zhuǎn)換效率僅為3%[8]；隨后韓國(guó)科學(xué)家Park課題組[9]在2011年將其效率提高到6.5%；2013年英國(guó)科學(xué)家Snaith研究組[5]成功制備了效率高達(dá)15.9%的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池； 2014年4月，Yang Yang[10]在Materials Reseach Society會(huì)議上報(bào)道，其小組制備的鈣鈦礦電池的效率已經(jīng)達(dá)到19.3%；韓國(guó)Seok課題組[11]在2015年5月的《Science》上報(bào)道，其團(tuán)隊(duì)制得的高質(zhì)量FAPbI3鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，效率達(dá)到了20%以上。因此，隨著電池工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展和成熟，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池有望獲得更高的光電轉(zhuǎn)換效率，有著廣泛的應(yīng)用前景。

圖1 幾種薄膜太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率近20年來(lái)的提升情況[7]Fig.1 The progress of photoelectric conversion efficiencies of several thin-film solar cells in the past 20 years [7]

2 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)及原理

2.1 鈣鈦礦材料的晶體結(jié)構(gòu)

典型的鈣鈦礦化合物是一種具有ABX3晶型的立方體或八面體結(jié)構(gòu)，如圖2所示[12]。其中A位通常是一種大的金屬陽(yáng)離子(可由Ca，Ba，Sr，Pb，K以及從La到Lu的鑭族金屬等20多種元素構(gòu)成)，其可以被合適的有機(jī)物取代形成有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦材料(如圖中CH3NH3PbI3)；B位為可配位形成八面體的金屬M(fèi)陽(yáng)離子(可由Pb，Sn，Cu，F(xiàn)e，Nb等50多種元素構(gòu)成)；X為可與A形成配位八面體的鹵素陰離子(可由Cl，Br，I等元素構(gòu)成)。因此有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦化合物AMX3具有穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)、獨(dú)特的電磁性能以及好的異構(gòu)化、吸光性、電催化等活性，是一種新型的功能材料。

圖2 有機(jī)-金屬鹵化物(CH3NH3PbI3)的鈣鈦礦晶胞結(jié)構(gòu)[12]：A: CH3NH3+；B: Pb2+；X: I-，Br-或Cl-Fig.2 Basic crystal structure of CH3NH3PbI3 perovskite[12]

2.2 電池結(jié)構(gòu)原理

鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池一般是由透明導(dǎo)電玻璃、電子輸運(yùn)層(包括致密層和多孔層)、鈣鈦礦吸收層、空穴傳輸層以及金屬對(duì)電極層(背電極)5部分組成，其基本結(jié)構(gòu)及工作原理如圖3所示[13]。鹵鉛銨鈣鈦礦化合物AMX3(如圖3b中CH3NH3PbI3)在光照下吸收光子，其價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶，接著將導(dǎo)帶電子注入到TiO2的導(dǎo)帶，再傳輸?shù)紽TO，同時(shí)，空穴傳輸至有機(jī)空穴傳輸層(HTL)，從而電子-空穴對(duì)分離，當(dāng)接通外電路時(shí)，電子與空穴的移動(dòng)將產(chǎn)生電流。

3 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究進(jìn)展

鈣鈦礦薄膜太陽(yáng)能電池是基于敏化太陽(yáng)能電池、有機(jī)太陽(yáng)能電池等在過(guò)去20年里積累的相關(guān)技術(shù)，才得以飛速發(fā)展。染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)具有所用染料價(jià)格較貴、效率較低等缺點(diǎn)，而鈣鈦礦材料具有優(yōu)異的光學(xué)特性，制備簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，消光系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，很快成為傳統(tǒng)染料的替代材料。2009年，Kojima等[14]首次把鈣鈦礦化合物引入到染料敏化太陽(yáng)能電池中，對(duì)于基于液態(tài)電解質(zhì)的鈣鈦礦CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbI3敏化電池分別獲得了3.1%和3.8%的光電轉(zhuǎn)換效率，這被認(rèn)為是鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池的開(kāi)端。2011年，Yella等[15]通過(guò)控制TiO2薄膜層的厚度，并使用Pb(NO3)2修飾，將鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率提高到了12.3%。這些最早開(kāi)發(fā)的染料敏化型鈣鈦礦電池采用的都是傳統(tǒng)液體電解質(zhì)，由于鹵鉛銨鈣鈦礦材料在液體電解質(zhì)中會(huì)迅速溶解，從而導(dǎo)致電池的穩(wěn)定性差，另外，使用液態(tài)電解質(zhì)時(shí)，電荷在傳輸過(guò)程中需要經(jīng)歷一系列氧化還原反應(yīng)，電荷的傳輸效率降低，導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率太低。

針對(duì)液態(tài)電解質(zhì)在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池使用中存在的問(wèn)題，2012年， Kim等[16]使用spiro-MeOTAD作為固態(tài)空穴傳輸層，采用直接溶液旋涂法制備了一種全固態(tài)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，不僅效率達(dá)到了9.7%，電池的穩(wěn)定性也得到了提高。2013年，韓國(guó)的Jeon等[17]通過(guò)在FTO襯底上旋涂鈦酸二異丙醇二乙酰丙酮酯的醇溶液，在400 ℃熱解，獲得600 nm的TiO2致密層，組裝的太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到12.4%。同年，Burschka等[18]在優(yōu)化TiO2薄膜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用兩步溶液法，制得高質(zhì)量的CH3NH3PbI3鈣鈦礦吸收層，其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了15%。但是此溶液法的旋涂工藝會(huì)導(dǎo)致表面覆蓋不完全，出現(xiàn)針孔，導(dǎo)致電池中空穴傳輸層與電子傳輸層直接接觸，降低了開(kāi)路電壓和填充因子。2013年9月，Liu等[19]在Nature報(bào)道了使用共蒸鍍法制備出了高質(zhì)量的CH3NH3PbI3-xClx鈣鈦礦材料，其光電轉(zhuǎn)換效率超過(guò)了15%，但是這種方法需要高真空，對(duì)設(shè)備的要求較高且能量消耗大。

2014年5月，加州大學(xué)洛杉磯分校的Yang課題組[20]報(bào)道了利用氣相輔助法(VASP)制備鈣鈦礦材料, 其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了19.3%。他們先用溶液法，將PbI2沉積在覆蓋TiO2的FTO玻璃上，然后在150 ℃的CH3NH3I和N2

的氣氛中，通過(guò)原位反應(yīng)生長(zhǎng)出來(lái)CH3NH3PbI3吸收層。這種方法制得的吸收層具有完美的表面覆蓋率、低的表面粗糙度以及微米級(jí)的晶粒尺寸，使載流子在輸運(yùn)時(shí)具有低的表面復(fù)合率。并且整個(gè)過(guò)程對(duì)真空無(wú)特殊的要求，相比于共蒸發(fā)法經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

2015年Wan等[21]實(shí)現(xiàn)了直接在氟摻雜的氧化錫包覆的基材生長(zhǎng)有效的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(Au /空穴輸送材料/ CH3NH3PbI3-xClx/基底)，而無(wú)需使用任何的空穴阻擋層, 實(shí)現(xiàn)了14%以上的轉(zhuǎn)換效率和1.06 V的開(kāi)路電壓，研究結(jié)果表明，二氧化鈦未必是實(shí)現(xiàn)高性能鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的最終界面材料。韓國(guó)的Jeon等[22]在2015年1月的《Nature》上報(bào)道了用帶隙窄的甲脒基(FA)取代常規(guī)鈣鈦礦材料中的甲氨基(MA)，組成穩(wěn)定的(FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，此電池的效率高達(dá)18%以上。2015年Nie等[23]用高溫晶體生長(zhǎng)的方法制備出了毫米級(jí)的有機(jī)金屬鈣鈦單晶, 制備出的平面太陽(yáng)能電池的效率接近18%。這種方法基于溶液的熱延技術(shù)使晶體成長(zhǎng)為連續(xù)的、無(wú)針孔的有機(jī)鈣鈦礦薄膜結(jié)構(gòu)，顯示了無(wú)滯后的光伏響應(yīng)，基本解決了鈣鈦礦電池穩(wěn)定運(yùn)行的瓶頸問(wèn)題。韓國(guó)化學(xué)技術(shù)研究所(KRICT)的Yang和Seok等[11]在2015年5月的《Science》上報(bào)道，他們團(tuán)隊(duì)通過(guò)二甲基亞砜(DMSO)直接分子內(nèi)交換(IEP)的方法(PbI2-DMSO-FAI), 制備了高質(zhì)量、有一定結(jié)晶取向的鈣鈦礦FAPbI3膜， FAPbI3鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率高達(dá)20%以上，是目前鈣鈦礦太陽(yáng)能電池所取得的最高轉(zhuǎn)換效率。圖4是此新型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的SEM照片、I-V和EQE曲線(xiàn)。

截止到2015年5月，研究者對(duì)鈣鈦礦材料做了一系列的研究工作[24-29]，他們從光生載流子的產(chǎn)生機(jī)理及鈣鈦礦的高吸光能力的微觀(guān)機(jī)理出發(fā)，研究了外部電場(chǎng)對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能的影響和以聚合物作為空穴傳輸層的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，以及對(duì)平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。

4 空穴傳輸材料的研究

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中空穴的產(chǎn)生與收集效率是決定電池效率的一個(gè)重要因素，電池中空穴傳輸層具有傳輸空穴的作用，分為有機(jī)空穴傳輸材料和無(wú)機(jī)空穴傳輸材料。目前最常用的是有機(jī)空穴傳輸材料spiro-MeOTAD，雖然其效率高，但是難以制備、價(jià)格昂貴，因此為了降低電池的成本，研發(fā)廉價(jià)的spiro-MeOTAD替代品成為目前研究的重點(diǎn)。Heo等[30]將多種聚合物用作空穴傳輸材料，其中聚三乙胺制備的電池填充因子和開(kāi)路電壓高于同等條件下spiro-MeOTAD作為空穴傳輸層的電池，效率達(dá)到12%。Jeon等[31]同樣以聚三乙胺作為空穴傳輸材料，結(jié)合前人的工作經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)采用兩步旋涂法減慢CH3NH3I和PbI2的反應(yīng)速度，使得鈣鈦礦吸收層表面更加均勻，并在TiO2多孔層再涂覆一層鈣鈦礦，避免了電池的滯后作用，采用上述技術(shù)最終制得電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高到了16.2%。

圖4 FAPbI3鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的橫截面SEM照片(A)，制備的FAPbI3鈣鈦礦材料的表面SEM形貌(B)和電池的I-V、EQE曲線(xiàn)(C) [11]Fig.4 Cross-sectional FESEM image of the device(A); The comparison of surface SEM images of FAPbI3-based layer formed on mp-TiO2 by IEP and conventional method(B); (a) I-V curves and (b) EQE spectra of the best device(C) [11]

不僅有機(jī)空穴傳輸材料方面的研究有所進(jìn)展，無(wú)機(jī)空穴傳輸材料也取得了很大的進(jìn)展。Christains等[32]采用無(wú)機(jī)金屬化合物CuI作為空穴傳輸材料，傳輸效率達(dá)到6%，這主要是因?yàn)镃uI阻抗高，導(dǎo)致電子和空穴的復(fù)合率高，致使短路電流減小，但是CuI導(dǎo)電性比spiro-MeOTAD更好，從而增大了電池的填充因子。雖然效率不高，但為研發(fā)無(wú)機(jī)空穴傳輸層材料提供了很好的思路。Wang等[33]利用NiO作為空穴傳輸層，用NiO代替TiO2得到一種反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，即空穴傳輸?shù)綄?dǎo)電玻璃，電子傳輸?shù)搅硪粯O，取得了9.51%的轉(zhuǎn)換效率。Qin等[34]用CuSCN作為空穴傳輸材料，這主要是因?yàn)镃uSCN的空穴傳輸效率遠(yuǎn)高于spiro-MeOTAD，使得短路電流大大增加，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到12.4%。

無(wú)空穴傳輸材料鈣鈦礦太陽(yáng)能電池也取得很大的進(jìn)步。2014年，中科院物理研究所的孟慶波研究團(tuán)隊(duì)[35]使用兩步沉積法制備了鈣鈦礦薄膜，將無(wú)空穴傳輸材料、具有TiO2/CH3NH3Pb3I/Au異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池的效率提升到10.49%。2014年7月，華中科技大學(xué)的韓宏偉課題組[36]在Science上報(bào)道了把混合陽(yáng)離子型鈣鈦礦材料(5-AVA)x(MA)(1-x)PbI3(碘鉛甲胺-5-氨基戊酸)，應(yīng)用于無(wú)空穴傳輸材料可印刷介觀(guān)太陽(yáng)能電池中。其特點(diǎn)是在單一導(dǎo)電襯底上通過(guò)逐層印刷方式涂覆TiO2納米晶膜、ZrO2絕緣層、碳對(duì)電極層，之后填充鈣鈦礦材料，如圖5所示。這一關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了介觀(guān)太陽(yáng)能電池低成本和連續(xù)生產(chǎn)工藝的完美結(jié)合, 獲得了12.8%的光電轉(zhuǎn)換效率，具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。這是目前無(wú)空穴傳輸材料鈣鈦礦太陽(yáng)能電池取得的最高轉(zhuǎn)換效率，充分說(shuō)明了無(wú)空穴傳輸材料的可行性，對(duì)合成新鈣鈦礦材料提供了新的思路和途徑。

圖5 三層鈣鈦礦基太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖(a);電池中各層的能級(jí)圖(b)[36]Fig.5 Schematic drawing showing the cross section of the triple-layer perovskite-based fully printable mesoscopic solar cell (a)；Energy band diagram of the triple-layer device(b) [36]

5 無(wú)鉛鈣鈦礦電池的研究

雖然鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池已獲得了較高的效率，但目前鈣鈦礦材料面臨的一大問(wèn)題是APbX3中鉛元素毒性大, 屬非環(huán)境友好材料。從環(huán)保角度考慮, 該類(lèi)型光吸收材料的大規(guī)模應(yīng)用必然會(huì)受到一定的限制，因此我們需要開(kāi)發(fā)無(wú)鉛的鈣鈦礦材料。鈣鈦礦(ABX3)的三維(3D)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是由容忍因子(Tolerance Factor,t)[37]決定：

其中，rA、rB和rX分別是A、B和X離子的半徑。為了保持鈣鈦礦的3D結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可選用與Pb2+離子半徑相近的等價(jià)離子(Sr2+、Ba2+、Sn2+、Cu2+等)來(lái)替代Pb2+。

2014年，Hayase課題組[38]和Kanatzidis課題組[39]已對(duì)用錫(Sn)來(lái)替代鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中Pb進(jìn)行了初步研究。用Sn代替Pb的環(huán)保型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池不僅綠色、高效，且成本低廉，可以使用簡(jiǎn)單的化學(xué)方法制造，不需要昂貴的設(shè)備或危險(xiǎn)材料，制成的含Sn鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)如圖6所示。盡管這款固態(tài)錫太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率目前僅為5.73%，但這是一個(gè)非常好的開(kāi)始：一是它可以吸收大部分可見(jiàn)光，二是鈣鈦礦鹽能在不加熱的情況下依靠改良溶劑可以進(jìn)行溶解。同年，英國(guó)牛津大學(xué)的Snaith課題組[40]也制備了無(wú)鉛含錫CH3NH3SnI3的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其效率超過(guò)了6%。新加坡南洋理工大學(xué)Mhaisalkar教授的團(tuán)隊(duì)[41,42]對(duì)帶隙較窄的無(wú)鉛CsSnI3-xBrx鈣鈦礦材料的研究表明，通過(guò)調(diào)節(jié)鹵素元素I和Br的比例(0 ≤x≤ 3) ，可以很好地改善其開(kāi)路電壓和獲得較高的光電流密度，這可能成為將來(lái)有發(fā)展?jié)摿Φ臒o(wú)鉛鈣鈦礦材料。

圖6 無(wú)鉛CH3NH3SnI3 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的橫截面SEM照片 [39]Fig.6 Representative cross-sectional SEM image of a completed photovoltaic device with CH3NH3SnI3 perovskite [39]

總之，目前環(huán)境友好(無(wú)鉛)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究還剛剛起步，如何從離子的摻雜、材料的結(jié)構(gòu)和光電轉(zhuǎn)換機(jī)制等方面進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，以提高此類(lèi)新型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，還需做大量的基礎(chǔ)研究工作。

6 結(jié) 語(yǔ)

鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機(jī)金屬鹵化物半導(dǎo)體由于具有良好的光吸收性能、高的載流子遷移率以及對(duì)雜質(zhì)和缺陷良好的容忍度等優(yōu)點(diǎn)，使得基于這種鈣鈦礦材料的太陽(yáng)能電池自2009年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，受到各國(guó)科研工作者的極大關(guān)注。在短短5年時(shí)間內(nèi)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池由液態(tài)發(fā)展到了固態(tài)，由空間三維結(jié)構(gòu)發(fā)展到了平面二維結(jié)構(gòu)，并且其光電轉(zhuǎn)換效率由最初的3%提高到了目前的20%，可見(jiàn)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具有極大的發(fā)展空間。在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上,進(jìn)一步降低成本、提高效率和穩(wěn)定性、推進(jìn)其工業(yè)化，是其必然的發(fā)展趨勢(shì)。

盡管鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究已經(jīng)取得了非常大的進(jìn)展，但是離大規(guī)模實(shí)用化的目標(biāo)還有很大的距離，仍然存在一些亟待解決的問(wèn)題，主要有如下幾個(gè)方面：

(1)微觀(guān)物理機(jī)制的研究：目前人們更多把注意力放在改進(jìn)薄膜的合成方法或者材料性能、以及電池特性等方面，對(duì)于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的微觀(guān)物理機(jī)制尚缺乏比較深層認(rèn)識(shí)；深入研究和理解材料的基本性質(zhì)和電池的工作原理，不僅有助于進(jìn)一步提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能，也能為尋找更簡(jiǎn)單和更高效的新結(jié)構(gòu)提供有益的思路。

(2)電池的穩(wěn)定性問(wèn)題：由于鈣鈦礦材料在空氣中不太穩(wěn)定，受紫外光、水和熱的影響較大，使得制備的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池長(zhǎng)期穩(wěn)定性得不到保障?，F(xiàn)今鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究還主要集中在如何進(jìn)一步提高其光電轉(zhuǎn)化效率上，其長(zhǎng)期的穩(wěn)定性應(yīng)從開(kāi)發(fā)高穩(wěn)定性的電池組成材料和簡(jiǎn)單有效的器件封裝方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(3)環(huán)境友好問(wèn)題：目前高效的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池都含有有毒金屬Pb，開(kāi)發(fā)無(wú)鉛型鈣鈦礦光吸收層的環(huán)境友好的新型太陽(yáng)能電池將是未來(lái)潔凈能源的發(fā)展方向，現(xiàn)已有部分研究人員著手這方面的研究，但是其光電轉(zhuǎn)換效率還較低，新型無(wú)鉛鈣鈦礦電池的效率提高還需從材料和結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步深入系統(tǒng)的研究。

(4)大面積器件的研究：目前高效率的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其有效工作面積小，在制備大面積器件時(shí)，受膜均勻性差等因素影響，所獲得的效率小于小面積器件，如何獲得高效率的大面積器件也是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

References

[1] Jeon N, Noh J, Yang W,etal.Nanoscale[J], 2011, 3: 4088-4093.

[2] Lee M, Teuscher J, Miyasaka T,etal.Science[J], 2012, 338: 643-647.

[3] Liu D, Kelly T.NatPhotonics[J], 2013, 8(2): 133-138.

[4] Zheng L, Chung Y, Ma Y,etal.ChemCommun[J], 2014, 50: 11196-11199.

[5] Gao P, Gr?tzel M, Nazeeruddin M.EnergEnvironSci[J], 2014, 7: 2448-2463.

[6] Boix P, Agarwala S, Koh T,etal.JPhysChemLett[J], 2015, 6 (5): 898-907.

[7] Zhang Weihao(張瑋皓)，Peng Xiaochen(彭曉晨)，F(xiàn)eng Xiaodong(馮曉東).ElectronicComponentsandMaterials(電子元器件與材料)[J]，2014，33(8): 7-11.

[8] Kojima A, Tehshima K, Shirai Y,etal.JAmChemSoc[J], 2009, 131(17): 6050-6051.

[9] Im J H, Lee C R, Lee J W,etal.Nanoscale[J], 2011, 3: 4088-4093.

[10]Robert F.Science[J], 2014, 344(6183): 458.

[11]Yang W S, Noh J H, Jeon N J,etal.Science[J], 2015, 348(6240): 1234-1237.

[12]Stranks S D, Snaith H J.NatureNanotechnology[J], 2015, 10: 391-402.

[13]Burschka J, Pellet N, Moon S J,etal.Nature[J], 2013, 499: 316-319.

[14]Kojima A, Teshima K, Shirai Y,etal.JAmChemSoc[J], 2009, 131: 6050-6051.

[15]Yella A, Lee H W, Tsao H N,etal.Science[J], 2011, 334(6056): 629-634.

[16]Kim H S, Lee C R, Im J H,etal.SciRep[J], 2012, 2(591): 1-7.

[17]Jeon N J, Seok S I, Gr?tzel M,etal.JAmChemSoc[J], 2013, 135: 19087-19090.

[18]Burschka J, Pellet N, Moon S J,etal.Nature[J], 2013, 499 (7458): 316-319.

[19]Liu M, Johnston M B, Snaith H J.Nature[J], 2013, 501(7467): 395-398.

[20]Zhou H, Chen Q, Li G,etal.Science[J], 2014, 345: 542-546.

[21]Ke W J, Fang G J, Wan J W,etal.NatureCommunications[J], 2015, 6: 6700.

[22]Jeon N J, Noh J H, Kim Y C,etal.Nature[J], 2015, 517: 476-480.

[23]Nie W Y, Tsai H S, Asadpou R,etal.Science[J], 2015, 347(6221): 522-525.

[24]Li X D, Wang X Y, Zhang W J,etal.OrganicElectronics[J], 2015, 18:107-112.

[25]Zhao D W, Secton M, Park H Y,etal.AdvEnergyMater[J], 2015, 5(6) : 1401855.

[26]Sheikh A D, Bera A, Haque M A,etal.SolarEnergyMaterials&SolarCells[J], 2015, 137: 6-14.

[27]Quilettes D W, Vorpahl S M, Stranks S D,etal.Science[J], 2015, 348: 683-686.

[28]Wang K, Liu C, Du P C,etal.OrganicElectronics[J], 2015, 21: 19-26.

[29]Yan K Y, Long M Z, Zhang T K,etal.JAmChemSoc[J], 2015, 137(13): 4460-4468.

[30]Heo J H, Im S H, J H,etal.NatPhotonics[J], 2013, 7(6): 486-491.

[31]Jeon N J, Noh J H, Kim Y C,etal.NatureMaterials[J], 2014, 13: 897- 903.

[32]Christians J A, Fung R C, Kamat P V.JAmChemSoc[J], 2014, 136: 758-764.

[33]Wang K C, Jeng J Y, Shen P S,etal.SciRep[J], 2014, 4: 4756.

[34]Qin P, Tanaka S, Ito S,etal.NatureCommun[J], 2014, 5: 3834.

[35]Shi J, Dong J, Lv S,etal.ApplPhysLett[J], 2014, 104: 063901.

[36]Mei AY, Li X, Liu L F,etal.Science[J], 2014, 345(6194): 295-298.

[37]Bai X G, Wang K, Shi Y T,etal.ActaPhys-ChimSin[J], 2015, 31(2): 285-290.

[38]Ogomi Y, Morita A, Tsukamoto S,etal.JPhysChemLett[J], 2014, 5(6): 1004-1011.

[39]Hao F, Stoumpos C C, Cao D H,etal.NatPhotonics[J], 2014, 8: 489-494.

[40]Noel N K, Stranks S D, Antonio Abate A,etal.EnergyEnvironSci[J], 2014, 7: 3061-3068.

[41]Kumar M, Dharani S, Leong W,etal.AdvMater[J], 2014, 26: 7122-7127.

[42]Sabba D, Mulmudi H K, Prabhakar R R,etal.JPhysChemC[J], 2015, 119 (4): 1763-1767.

(編輯 惠 瓊)

Progress on Novel Perovskite Solar Cells

In recent years, organic-inorganic hybrid lead-halide perovskite solar cells have got rapid progress and exhibited high photoelectric conversion efficiencies (PCE) of up to 20%. A perovskite solar cell is a type of solar cell which includes a perovskite structured compound, most commonly an organic-inorganic hybrid lead or tin halide-based material, as the light-harvesting active layer. Perovskite materials such as the methylammonium or formamidinium lead halides are cheap to produce and simple to manufacture. Their high efficiencies and low production costs make perovskite solar cells a commercially attractive option. In this paper, the research status and latest development of perovskite solar cells are reviewed including their structures and performances, especially for Pb-free perovskite solar cells. Finally, the key technologies and core scientific problems that are needed to solve for practical application of perovskite solar cells are also elaborated.

perovskite; solar cells; organic-inorganic hybrid metal halide-based material; conversion efficiency; lead-free

2015-06-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11304045); 廣東省人才引進(jìn)專(zhuān)項(xiàng)資金(400140095)；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(201510010285)

王曉琳，女，1989年生，碩士研究生

馮祖勇，男，1975年生，教授，碩士生導(dǎo)師，Email: fengzuyong@foxmail.com

10.7502/j.issn.1674-3962.2016.12.12

馮祖勇

TM914

A

1674-3962(2016)12-0960-06