新型太陽能電池的研究簡述

張佳維

(青島西海岸新區(qū)第一高級中學(xué)，山東 青島 266555)

能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)保障，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展進(jìn)步，人們逐漸重視對清潔能源的開發(fā)和有效利用，從而應(yīng)對當(dāng)前能源緊張的現(xiàn)狀，滿足可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略對于能源的需求。太陽能電池又稱光伏電池，直接利用太陽能的一種簡便的方式，其利用一些對光有吸收作用的材料收集光能，再通過靜電處理過程，以對光較為敏感的材料為介質(zhì)，使得光能與電子材料有效接觸，實現(xiàn)靜電條件下的電池作用，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。

1 染料敏化太陽能電池(DSSC)

DSSC源于人類對植物光合作用的模仿，其利用一些光敏材料(起到植物中葉綠素的功能)優(yōu)異的吸光性能將太陽能(光能)轉(zhuǎn)化為電能。由于原料來源廣泛，成本低，生產(chǎn)工藝簡單，適合大規(guī)模的生產(chǎn)，受到越來越多的關(guān)注。

1.1 電池構(gòu)造

典型的DSSC主要由5個主要部分組成，分別是導(dǎo)電玻璃(鍍有透明導(dǎo)電膜)、多孔半導(dǎo)體薄膜(納米TiO2)、染料敏化劑、電解質(zhì)和對電極[1-2]。導(dǎo)電玻璃和多孔半導(dǎo)體薄膜為光陽極，是吸附染料分子的載體，其性能和結(jié)構(gòu)決定了對染料的吸附量。染料敏化劑在電池中扮演著“葉綠素”的作用，是染料敏化太陽能電池中的關(guān)鍵部分，主要吸收可見光以及近紅外光區(qū)域的太陽光，可分為金屬復(fù)合敏化劑、金屬有機(jī)敏化劑和天然敏化劑3種。電解液的主要功能是再生染料，承擔(dān)著輸運(yùn)電荷的作用，目前，運(yùn)用最為廣泛的則是I-/I3-碘電解液。對電極的作用是收集產(chǎn)生的電子，以及將電解質(zhì)(液體、膠體、固體)中的電子受體還原再生，鉑電極是目前效率最高的對電極，碳材料因其價格低廉且資源豐富近年來成為研究熱點(diǎn)。

1.2 工作原理

DSSC的工作原理主要包括光的吸收和電子收集兩個過程，分別由敏化劑(單層染料分子，吸附在納米晶的薄膜表面上)和電池基底(TiO2納米晶燒結(jié)在一起形成的介孔氧化物半導(dǎo)體層)來完成。DSSC工作時，染料分子電子吸收太陽光(可見光區(qū)域和近紅外光區(qū)域)后，電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)極不穩(wěn)定，電子被快速的注入較低能級的導(dǎo)帶中。電子進(jìn)入導(dǎo)帶后，以擴(kuò)散或者漂移運(yùn)動產(chǎn)生的形式形成宏觀定向運(yùn)動，經(jīng)外電路做功產(chǎn)生工作電流流到對電極中。與此同時，在對電極上發(fā)生氧化還原再生過程，即光生電子將電解質(zhì)溶液中的I3-還原成I-，隨后被還原的I-與氧化態(tài)染料發(fā)生氧化還原反應(yīng)，染料分子被還原成基態(tài)，I-被氧化成I3-，整個電路完成光電轉(zhuǎn)換的循環(huán)[3-5]。目前，DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率已超過12%，并且其具有受環(huán)境溫度及光入射角度影響小，可弱電發(fā)光等其他種類太陽能電池?zé)o法比擬的優(yōu)點(diǎn)。DSSC已發(fā)展到向產(chǎn)業(yè)化過渡的階段。

2 鈣鈦礦太陽能電池

鈣鈦礦材料最初是指一種稀有礦石CaTiO3，其具有ABX3結(jié)構(gòu)，其中A為有機(jī)陽離子，B為金屬離子，X為鹵素基團(tuán)。自1926年其晶體結(jié)構(gòu)被基本明確以來，應(yīng)用于多個領(lǐng)域。2009年，鈣鈦礦材料首次用作太陽能電池的吸光材料，獲得了3.8%的光電轉(zhuǎn)換效率[6]。隨后鈣鈦礦太陽能電池異軍突起迅速成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)，短短幾年內(nèi)，能量轉(zhuǎn)換效率由3.8%飆升到20.1%，被《Science》評選為2013年十大科學(xué)突破之一。

2.1 電池構(gòu)造及工作原理

廣義上說的鈣鈦礦型太陽能電池屬于染料敏化太陽能電池(DSSC)的一種，本質(zhì)上是一種固態(tài)染料敏化太陽能，是一種以鈣鈦礦材料(通常含Pb)作為吸光材料，通過光吸收、電子-空穴分離和電子運(yùn)輸實現(xiàn)光到電轉(zhuǎn)化的第三代太陽能電池。

典型的鈣鈦礦太陽能電池由導(dǎo)電玻璃(光陽極)、n型半導(dǎo)體材料致密層(電子傳輸層)、鈣鈦礦材料吸收層(光吸收層)、p型半導(dǎo)體材料層(空穴傳輸層)、金屬對電極(光陰極)五部分組成，其光伏性能和長期穩(wěn)定性取決于致密層、鈣鈦礦吸收層、p型半導(dǎo)體材料層的組成、微結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。鈣鈦礦吸收層性能好壞決定了鈣鈦礦太陽電池的整體性能，起到結(jié)構(gòu)導(dǎo)向和傳輸電子到外電路的作用，其捕獲太陽光產(chǎn)生的電子-空穴對，并將其高效傳輸至n型半導(dǎo)體材料致密層(電子傳輸層)和p型半導(dǎo)體材料層(空穴傳輸層)；n型半導(dǎo)體材料致密層收集鈣鈦礦吸收層注入的電子，從而使鈣鈦礦吸收層電子-空穴對的電荷分離；p型半導(dǎo)體材料層則收集、傳輸鈣鈦礦吸收層注入的空穴，并與n型半導(dǎo)體材料致密層的共同作用下，使得電子-空穴對的電荷分離[7-8]。

鈣鈦礦太陽電池的工作原理為，在光的作用下，鈣鈦礦化合物材料AMX3(鹵鉛銨類)吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對，電子-空穴對在鈣鈦礦材料與電子傳輸層和空穴傳輸層交界處選擇性分離，電子注入電子傳輸層，空穴傳輸至空穴傳輸層，電子與空穴的移動產(chǎn)生電流[9]。

2.2 性能和存在問題

鈣鈦礦太陽能電池被譽(yù)為“光伏領(lǐng)域的新希望”，具有卓越的光伏特性，良好的吸光性和電荷傳輸速率使其具有巨大的開發(fā)潛力，鈣鈦礦太陽能電池具有非常穩(wěn)定的光伏性能，具有較高的量子效率、短路電流密度和開路電壓。由于構(gòu)造簡潔、制造成本低，光電轉(zhuǎn)換性能優(yōu)異、效率高，鈣鈦礦太陽電池有望成為全固態(tài)的新型太陽電池，是目前現(xiàn)有商業(yè)太陽電池最有潛力的競爭者。

雖然鈣鈦礦太陽能電池的研究取得了突出的進(jìn)步，但是仍存在一些問題[10-11]：(1)很難制備大面積的鈣鈦礦太陽能電池，阻礙其市場應(yīng)用；(2)對水蒸汽和氧氣十分敏感，會與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，晶體結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致電池性能的衰減，造成其穩(wěn)定性較差；(3)制備鈣鈦礦太陽能電池所用的鈣鈦礦材料通常為CH3NH3PbI3，重金屬Pb易對環(huán)境造成污染；(4)現(xiàn)有的測試技術(shù)不能很好的解決能量轉(zhuǎn)換效率測試時的回滯現(xiàn)象；(5)空穴傳輸層材料造價昂貴。

隨著化石能源的日益枯竭以及其相伴而生的環(huán)境問題的日益突出，人類迫切需要開發(fā)清潔且可再生的能源。太陽能因不受地域限制，成為眾多能源技術(shù)中最有應(yīng)用前景的方式之一，近十年來，研究人員對太陽能電池的研究不斷取得突破，這將有助于解決人類對能源的需求問題。