钙钛矿太阳能电池的研究进展

谢中亮

摘 要：人们对太阳能这一新型能源认识的不断加深，促使以太阳能作为主要能源的各类产品得以广泛应用和发展，其中，钙钛矿太阳能电池则是人们对太阳能这一新型能源不断研究的产物。为了进一步提高人们对钙钛矿太阳能的认识，文章通过对钙钛矿太阳能中的钙钛矿材料进行阐述，进而对钙钛矿太阳能电池中作为重要的部分，即光吸收层的制备方法和钙钛矿太阳能电池的结构方面的研究作出了系统的说明和分析。

关键词：钙钛矿；光吸收层；太阳能电池

前言

长期以来，低成本且高转化率的光伏器件一直是光伏器件领域研究的重要方向，自2009年钙钛矿太阳能电池产生后，钙钛矿太阳能电池得到了国际学术界的高度认可和重视。作为一种新型的太阳能电池，钙钛矿太阳能电池无论在其吸光材料还是内部结构方面均具有良好的优势。基于此，加强对钙钛矿太阳能电池光吸收层以及器件结构的研究，无疑成为了理论界和学术界需要共同开展的关键工作。

1 钙钛矿材料概述

对钙钛矿太阳能电池的光吸收层进行分析可知，其实质上是一种有机—无机的杂化材料，其化学式为CH3NH3PbX3，此材料的晶胞结构为典型的钙钛矿晶体结构，其中，PbX6形成八面体，且相互接触沟通构成具有三维结构的框架，而CH3NH3+则被嵌入其内。由于钙钛矿太阳能电池的光吸收层具有电致发光与光致发光的特性，不仅具有直接带隙和较高的光吸收系数，而且还具有良好的截流子输运性能和較高的缺陷容忍度。还需说明的是，钙钛矿光吸收层的禁带宽度同AM1.5光照下的最佳带隙值，即1.4eV极为接近，但却比Br和Cl的含I（碘）的钙钛矿材料在水蒸气条件中更易分解，故在制备过程中可借助Br和Cl元素取代部分CH3NH3PbX3能够提高其抗分解的能力[1]。

2 钙钛矿太阳能电池光吸收层制备方法

就现阶段而言，钙钛矿太阳能电池的高质量光吸收层的制备方法主要以溶液法和共蒸发法为主。

2.1 基于单步法与两步法的溶液法

溶液法主要包括了单步法和两步法两种。其中，单步法通常以一定的化学计量比将CH3NH3X以及PbX2共同溶解在溶剂（N-二甲基甲酰胺）当中从而构成前驱体溶液，而后，将此前驱体溶液直接旋涂在TiO2上，并将其置于100℃的N2手套箱内进行干燥。在整个干燥过程中，前驱体溶液中的发生CH3NH3X与PbX2化学反应，从而生成CH3NH3XPbX3，且干燥后溶液的颜色变深，继续干燥获得钙钛矿吸收层。单步法虽然较为简单且操作方便，但基于此种方法所制备的钙钛矿薄膜形貌变化较大，对其性能难以进行有效控制，而基于两步法的溶液法则能够有效解决这一问题。将具有较高浓度的PbI2的N-二甲基甲酰胺溶液在70℃的环境中旋涂在TiO2上并进行干燥，一段时间后在溶有CH3NH3I的2-丙醇溶液中将TiO2与PbI2的复合层予以浸渍，此时，CH3NH3I则会与PbI2发生晶化反应，生成CH3NH3XPbI3，在对其继续干燥后便可得到钙钛矿太阳能电池的钙钛矿吸收层[2]。

2.2 共蒸发法

自2013年共蒸发法应用到CH3NH3XPbI3-xClx吸收层制备以来，基于共蒸发法的真空蒸镀法已被广泛应用于薄膜太阳能电池与晶硅太阳能电池的制备当中。通过在10-3Pa的本底真空中将PbCl2与CH3NH3XPbI共镀于表面沉积了FTO以及TiO2的导电玻璃上，从而促使PbCl2与CH3NH3XPbI产生反应进而生成CH3NH3XPbI3-xClx。而后，将此导电玻璃置于100℃的N2手套箱当中进行退火，使材料得以完全晶化[3]。对共蒸发法进行分析可知，以此种方法所制备的钙钛矿材料杂质缺陷较少且材料结构紧密，表面较为均匀，但需要说明的是，此种方法对钙钛矿材料的制备是以高真空为前提条件的，这不仅对各类设备提出了较高的要求，而且制备过程中还需消耗较大的能量。因此，只有在对钙钛矿太阳能电池各方面性能要求较高时，此方法在经济和效果方面较为适用。

3 钙钛矿太阳能电池结构

3.1 介观结构

CH3NH3XPbX3最初是作为一种新型染料而被应用在染料敏化太阳能电池当中，器件结构与典型的染料敏化太阳能电池类似，介观尺寸的金属氧化物框架中附有CH3NH3XPbX3燃料，而作为经典的框架材料当属TiO2，在500℃下进行烧结从而提高结构的稳固性，以支持太阳能电池的使用。对典型的CH3NH3XPbX3结构进行分析可知，其纳米晶附着在具有介观尺寸的n型TiO2中，在TiO2上是p型的HTM，当入射光从下方玻璃射入时，超过CH3NH3XPbX3禁带宽度能量的光子则被材料吸收，并生成激子，并在材料的内部与界面处分离生成价带空穴以及相应的导带电子，进而迅速注入电子传输材料与价带空穴当中，并被FTO与金属电极予以收集[4]。当接上负载时，材料便开始对外做功。此种结构在避免了电子-价带空穴复合的同时，也提供了收集电子所需的扩散长度，有效提高了电池的吸光性能。

3.2 平面异质结构

近年来，随着人们对太阳能这一新兴能源认识和研究的不断加深，钙钛矿太阳能电池中，钙钛矿材料的电学性能，特别是载流子运输性能得以大幅提升，由此，钙钛矿太阳能电池的平面异质结构应运而生。钙钛矿材料中的激子大都以Mott型为主，能够在结构界面和内部同时分离，因此，可将钙钛矿材料分别置于p型材料和n型材料当中，或直接与p型材料进行接触，从而提高对截流子收集的效率。对于高质量的TiO2而言，其电子传输层需经450°以上的高温处理方能够应用到电池的制备当中，对点吃的柔性化具有较大影响，且传统的TAD制备工艺较为复杂、成本较高。因此，为了提高钙钛矿电池的柔性并降低研制成本，有机传输与无机传输材料被引入到钙钛矿太阳能电池结构中。例如，基于聚3，4-亚乙二氧基噻吩（PEDOTPPS）和[6，6]-苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）的价带空穴和电子传输材料而制成的钙钛矿太阳能电池的光电转化率高达12%，而基于玻璃和聚酰亚胺（PET）等良好柔性材料的钙钛矿太阳能电池光电转化率也分别达到了11.5%和9.3%。

4 结束语

文章通过对钙钛矿材料的化学式与相关性能进行分析，进而对溶液法和共蒸发法两种钙钛矿太阳能电池光吸收层的制备方法展开了论述和研究，在此基础上，分别对钙钛矿太阳能电池的介观结构与平面异质结构予以探究。研究结果表明，钙钛矿太阳能电池不仅具有良好的吸光性能，而且还能够以不同的结构提升其光电转化率。可见，未来加强对钙钛矿太阳能电池的研究和应用力度，无疑对于促进光伏器件领域的发展和提高太阳能这一新型能源的利用范围具有重要的现实意义。

参考文献

[1]关丽，李明军，李旭，等.有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池的研究进展[J].科学通报，2015，7（12）：581-592.

[2]丁雄 ，倪露，马圣博，等.钙钛矿太阳能电池中电子传输材料的研究进展[J].物理学报，2015，3（20）：105-115.

[3]张太阳，赵一新.铅卤钙钛矿敏化型太阳能电池的研究进展[J].化学学报，2015，3（6）：202-210.

[4]邓林龙，谢素原，黄荣彬，等.钙钛矿太阳能电池材料和器件的研究进展[J].厦门大学学报（自然科学版），2015，5（20）：619-629.