新型结构的钙钛矿太阳能电池

朱彤珺,云天英

（河南工程学院,郑州 451191）

新型结构的钙钛矿太阳能电池

朱彤珺,云天英

（河南工程学院,郑州 451191）

当前，以钙钛矿材料为基础的太阳能电池成为一种新型的太阳能电池，并逐渐被人们关注。本文就钙钛矿太阳能电池的几种结构进行分析，了解他们的结构性能以及优势不足等。

钙钛矿；材料；结构；太阳能电池器件

钙钛矿太阳能电池是一种新型的太阳能电池，该电池以染料敏化太阳能电池作为基础和前提，这种新型的太阳能电池是在2009年，由Kojima等人提出的，依旧使用与染料敏化太阳能电池的相同的器件结构，不同的是使用CH3NH3PbI3或CH3NH3PbBr3代替染料敏化电池中的有机染料。与传统的染料敏化太阳能电池相比较，取得了更好的器件性能和更高的光电转化效率。当前这种以卤化甲胺铅为材料的太阳能电池有着很好的应用前景，因此成为研究关注的重点。

1　介孔结构钙钛矿太阳能电池

这种太阳能电池以光阳极、光吸收材料、空穴传输材料以及对电极为主要部分。与染料敏化太阳能电池的结构以及载流子的传输电方式都是相同的。该种类型的太阳能电池中的电解质分为固液两种形态。由于液态电解质会对CH3NH3PbI3表现出很强的腐蚀性，且主要通过氧化还原反应实现电荷的传输，传输效率并不高，因而制作出的太阳能电池光电转换效率不高。

为了使介孔结构的钙钛矿太阳能电池得性能得以优化与改善，研究者进行了相应的改进。对于光阳极，改变二氧化钛表面的性质，使其能够与钙钛矿的电子耦合，使得钙钛矿电池器件的光电转化率提高到11.7%。以喹嗪啶为基础的有机材料的出现，使得固态太阳能电池空穴传输材料的有了更好的选择。在光吸收材料方面，使用NH2CH==NH2PbI3作为光吸收层材料，使钙钛矿太阳能电池的光电转换效率达到了7.5%[1]。

介孔结构的钙钛矿太阳能电池的结构不会随意发生变化，比较稳定，研究者可以通过研究染料敏化太阳能电池取得的一系列成果，对其进行类似的分析和制备。这种太阳能电池缺点是器件内部含有多孔的纳米氧化物层，增加了器件制备难度，另外，电池内部也容易出现结构缺陷，因此光电转化能力也会受到影响。

2　介观超结构异质结型钙钛矿太阳能电池

为了减少能量的消耗，研究者制备出了介观超结构异质结型钙钛矿太阳能电池，该种结构的电池借助CH3NH3PbI材料本身传输光生电子，提高了太阳能电池光电转换效率。尽管超结构钙钛矿太阳能电池该结构的太阳能电池与介孔结构的钙钛矿太阳能电池的结构是相同的，但它们的电子传输机制却是存在差异的。由于该结构的电子没有注入支撑层材料，能够减少电子注入的损失，使光电转换效率得到提升。在该结构钙钛矿太阳能电池中，由于光在氧化物骨架材料上出现漫反射，使得入射光在器件内部的光程变长，增加了光利用率，但是这种方式却不能避免电池内部界面上存在大量缺陷的问题，传输电子时，在界面被缺陷俘获，从而降低器件的光电转换效率。另外，钙钛矿材料自身不够稳定，以及材料电子传输水平低下也限制了该结构器件的迅速发展。

3　平面异质结型钙钛矿太阳能电池

平面异质结型钙钛矿太阳能电池是由一层钙钛矿吸收层夹在电子传输层和空穴传输层之间构成的，不需要三维骨架材料进行支撑的，该电池有着更加简单的结构，制备也比较方便，因此受到很多人的关注。

二维平面钙钛矿太阳能电池是由Lee提出的。Lee制备这种电池使用溶液一步法，该方法是将钙钛矿层制备成前驱液然后旋涂成膜，这种方法产生的钙钛矿薄膜均匀性不好，很难获得高质量、高覆盖率的薄膜，因此使用一步溶液法制备的电池光电转换效率不高。为提高薄膜质量，Snaith等利用PbI2和CH3NH3I作为蒸镀源，通过双源共蒸法制备CH3NH3PbI3光吸收层，[2]使得薄膜不平整的问题得以解决，提高了光电转换效率。此外，还有很多人通过各种形式提高平面钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。

相比于空间三维骨架的钙钛矿太阳能电池，平面异质结型的结构更加简单，并且可以利用当前已有的真空蒸镀工艺和设备，就能够制备性能良好的太阳能电池器件。另外，该结构中由于界面较少，使得界面上的缺陷会大大减少，进而可以改善器件性能。因此这种太阳能电池将有良好的发展前景。

4　微观异质结太阳能电池

为了降低钙钛矿太阳能电池的成本，Gratzel等在介孔结构基础上制备出了CH3NH3PbI3/TiO2异质结结构的电池器件,将价格昂贵的空穴传输层直接去掉,形成了一种无空穴传输层新型电池结构,据报道，该种器件获得了5.5%的光电转换效率。微观异质结太阳能电池与其结构的太阳能电池的不同之处就是它内部没有空穴传输材料。

为了使钙钛矿太阳能电池得成更低，Ku等使用更加廉价的丝网印刷工艺研制备出了一种新微观异质结太阳能电池，该电池不仅内部不使用空穴传输材料，并且金、银等对电极也被更加便宜的碳材料代替，进一步降低了太阳能电池的制造成本。

微观异质结太阳能电池在制备过程中需要制备很多微界面以形成异质结，该工艺过程使得电池器件制备变得复杂。另外，大量的微界面虽然增加器件对太阳光的吸收效率，但也会在器件中形成光生电子、空穴的复合中心。

5　结束语

钙钛矿太阳能电池，因为制备工艺比较简单，成本低廉，从2009年这种材料被发现后就得到了极为广泛的关注。只几年时间，钙钛矿太阳能电池就从液态发展成为全固态形式，也从三维发展到了平面二维，光电转换效率也比之前提升了5倍多。由此可见，钙钛矿太阳能电池的发展空间和前景是极好的。目前我国还是将主要的精力放在钙钛矿太阳能电池的光电转换效率提升上，对于其长期稳定的发展研究还不多，如果要想钙钛矿太阳能电池实现商业化的发展就必须要解决这一问题。

[1]陈海军,王宁,何泓材.基于钙钛矿材料的新型结构太阳能电池器件[J].电子元件与材料,2014(11):24-28.

[2]宋志浩,王世荣,肖殷,李祥高.新型空穴传输材料在钙钛矿太阳能电池中的研究进展[J].物理学报,2015(03):9-25.

[3]丁雄傑,倪露,马圣博,马英壮,肖立新,陈志坚.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(03):105-115.

[4]邓林龙,谢素原,黄荣彬,郑兰荪.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(05):619-629.

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