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1、钙钛矿太阳能电池钙钛矿太阳能电池汇报人汇报人：黄蕾黄蕾 宫文婧宫文婧 张庆张庆制作人：制作人：吴慧吴慧 蓝小玲蓝小玲 刘敏刘敏 张依依张依依2目录CONTENTS背景介绍背景介绍发展历程发展历程工作原理与制备工作原理与制备存在的问题及展望存在的问题及展望1234 3背景介绍背景介绍 传统的硅太阳能电池成本高、生产工艺复杂，环境污染，因此，开发高光电转换效率、低成本的新型太阳能电池成为人们关注的重点。近年来，一种以金属有机卤化物作吸光材料的钙钛矿太阳能电池由于其高光电转换效率、低成本而成为光伏领域研究的热点之一。1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
2、报(自然科学版),2015,05:619-629.图2 几种薄膜太阳能电池光电转换效率近20年来的提升情况图1 钙钛矿太阳能电池 4背景介绍背景介绍钙钛矿结构：钙钛矿为ABX3结构，一般为立方体或八面体结构。A为一种大的阳离子 B为小的金属阳离子 X为卤素阴离子优势：优势：图图4 钙钛矿的晶胞模型钙钛矿的晶胞模型图图5 钙钛矿的立方晶体结构钙钛矿的立方晶体结构1魏静,赵清,李恒,施成龙,田建军,曹国忠,俞大鹏.钙钛矿太阳能电池：光伏领域的新希望J.中国科学：技术科学,2014,08:619-629.C消光系数高消光系数高C带隙宽度合适带隙宽度合适C优良的双极性载流子输运性质优良的双极性载流子输
3、运性质C低成本温和条件制备、结构简单低成本温和条件制备、结构简单5发展历程发展历程 1 11883年第一块太阳电池制备年第一块太阳电池制备成功。查理斯用硒半导体上覆成功。查理斯用硒半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体上一层极薄的金层形成半导体金属结，只有金属结，只有1%的效率的效率第一个半导体太阳能电池在第一个半导体太阳能电池在1954年诞生在贝尔实验室。太年诞生在贝尔实验室。太阳电池技术的时代终于到来阳电池技术的时代终于到来2009 年，钙钛矿太阳能电池首次被提出,由Miyasaka制备，其光电转换效率为3.8%1839年，光生伏特效应第一次由法国物理学家发现。1关丽关丽,李明军李明军,李旭
4、李旭,韦志仁韦志仁,滕枫滕枫.有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池的研究进展有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池的研究进展J.科学通报科学通报,2015,07:581-592.1魏静,赵清,李恒,施成龙,田建军,曹国忠,俞大鹏.钙钛矿太阳能电池：光伏领域的新希望J.中国科学：技术科学,2014,08:619-629.62011 年年,通过修饰通过修饰TiO2衬底表面，衬底表面，将钙钛矿敏化将钙钛矿敏化电池的效率提高到了电池的效率提高到了 6.5%.2012 年年，利用固态空穴传输材料替代液态电解质，利用固态空穴传输材料替代液态电解质，取得取得 了了 9.7%的光电转换效率。的光电转换效率。发展历程发展历程
5、 2 21魏静魏静,赵清赵清,李恒李恒,施成龙施成龙,田建军田建军,曹国忠曹国忠,俞大鹏俞大鹏.钙钛矿太阳能电池钙钛矿太阳能电池:光伏领域的新希望光伏领域的新希望J.中中国科学国科学:技术科学技术科学,2014,08:801-821.2013 年，通过共蒸法和溶液法制备了钙钛矿吸收层，光电转换效率分别达年，通过共蒸法和溶液法制备了钙钛矿吸收层，光电转换效率分别达15.4%和和12.2%。2013 年年 11 月，结合低温工艺，在玻璃和月，结合低温工艺，在玻璃和 PET 衬底上制备出了光电转换效率高达衬底上制备出了光电转换效率高达 15.7%和和 10%的平面结构钙钛矿太阳能电池。的平面结构钙钛
6、矿太阳能电池。2014年，我国研究者为了改善界面的电子传输性，在中间加入一层有机半导体，电年，我国研究者为了改善界面的电子传输性，在中间加入一层有机半导体，电池效率由池效率由5.26%提升到提升到6.26%。发展历程发展历程 3 31张玮皓张玮皓,彭晓晨彭晓晨,冯晓东冯晓东.钙钛矿太阳能电池的研究进展钙钛矿太阳能电池的研究进展J.电子元件与材料电子元件与材料,2014,08:7-11.图图6 钙钛矿太阳能电池效率发展图钙钛矿太阳能电池效率发展图工作原理工作原理1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.图
7、图7 钙钛矿太阳能电池结构钙钛矿太阳能电池结构图图8 电子传输材料（左）吸光材料（中）空穴传输电子传输材料（左）吸光材料（中）空穴传输材料（右）能级示意图材料（右）能级示意图工作原理工作原理1赵雨,李惠,关雷雷,吴嘉达,许宁.钙钛矿太阳能电池技术发展历史与现状J.材料导报,2015,11:17-21+291杨林,左智翔,于凤琴,纪三郝,王天华,王鸣魁.钙钛矿太阳能电池的研究进展J.化工技术与开发,2015,09:40-45PSC具有P-I-N结构,钙钛矿作为光吸收层(I本征层）夹在电子传输层TiO2（N型）和HTM（P型）之间。图图9 钙钛矿太阳能电池工作原理钙钛矿太阳能电池工作原理吸收层的制
8、备吸收层的制备CH3NH3PbI3 制备方法一步溶液法两步连续沉积法两步旋涂溶液法气相法，气相辅助沉积法吸收层的制备吸收层的制备1吴亚美,杨瑞霞,田汉民,王如,花中秋,陈帅.钙钛矿太阳电池吸收层制备工艺J.半导体技术,2015,10:730-738+782.优点：制备工艺简单缺点：难以控制结晶过程,影响PSC的光伏性能改进措施：前驱溶液中添加 NH4Cl,CH3NH3Clu制备CH3NH3PbI3材料前驱体溶液。u将前驱溶液旋转涂覆在TiO2表面再进行热退火.图图10 一步溶液法一步溶液法吸收层的制备吸收层的制备1吴亚美,杨瑞霞,田汉民,王如,花中秋,陈帅.钙钛矿太阳电池吸收层制备工艺J.半导
9、体技术,2015,10:730-738+782.u将PbI2溶液沉积在TiO2 层上干燥。u将TiO2/PbI2复合薄膜浸入到CH3NH3I溶液中反应后干燥。多孔支架层多孔支架层1 1、防止工作电极和背电、防止工作电极和背电极接触所导致的短路电流极接触所导致的短路电流2 2、其孔隙、其孔隙(直径约为直径约为20nm)20nm)能够将能够将PbIPbI2 2晶粒尺晶粒尺寸限制寸限制 图图11 两步连续沉积法两步连续沉积法图图12 多孔钙钛矿太阳能电池多孔钙钛矿太阳能电池 图图13 平面钙钛矿太阳能电池平面钙钛矿太阳能电池 图图14 两步旋涂溶液法两步旋涂溶液法 图图15 气相蒸发法气相蒸发法图图
10、16 气相辅助蒸发法气相辅助蒸发法n将将PbIPbI2 2溶液旋溶液旋涂在涂在TiOTiO2 2层上层上n干燥后将干燥后将CHCH3 3NHNH3 3I I溶液旋涂溶液旋涂在在PbIPbI2 2/TiO/TiO2 2复合复合层上，再热退火层上，再热退火.形成形成CHCH3 3NHNH3 3PbIPbI3 3。2 2、再放入到、再放入到CHCH3 3NHNH3 3I I蒸汽环境中形成蒸汽环境中形成CHCH3 3NHNH3 3PbIPbI3 31 1、通过溶液法制备、通过溶液法制备PbIPbI2 2层层吸收层的制备吸收层的制备1吴亚美,杨瑞霞,田汉民,王如,花中秋,陈帅.钙钛矿太阳电池吸收层制备工
11、艺J.半导体技术,2015,10:730-738+782.图图17 溶液法钙钛矿层溶液法钙钛矿层图图18 气相蒸发法钙钛矿层气相蒸发法钙钛矿层吸收层的制备吸收层的制备1邵景珍邵景珍,董伟伟董伟伟,邓赞红邓赞红,陶汝华陶汝华,方晓东方晓东.基于有机金属卤化物钙钛矿材料的全固态太阳能电池基于有机金属卤化物钙钛矿材料的全固态太阳能电池研究进展研究进展J.功能材料功能材料,2014,24:24008-24013存在的问题及展望存在的问题及展望制备技术制备技术 产业化推进产业化推进理论研究理论研究寻找合适替寻找合适替代材料代材料问问题题16存在的问题及展望存在的问题及展望 1 1、制备技术、制备技术：P
12、SC与氧气发生化学反应破坏晶体结构,并产生水蒸气,溶解钙钛矿，钙钛矿中的铅可能会滤出,对屋顶和土壤造成一定的污染.2 2、产业化推进、产业化推进:（1）制备面积：微小（2）空穴传输层造价昂贵开发研究包括石墨烯等载流子迁移率高且制备工艺简单、造价低的无机空穴传输层是今后的主要工作.（3）提高器件稳定性与寿命1赵雨,李惠,关雷雷,吴嘉达,许宁.钙钛矿太阳能电池技术发展历史与现状J.材料报,2015,11:17-21+291魏静,赵清,李恒,施成龙,田建军,曹国忠,俞大鹏.钙钛矿太阳能电池：光伏领域的新希望J.中国科学：技术科学,2014,08:619-629.图图19 北京大学研究小组制备的效率为
13、北京大学研究小组制备的效率为6.23%的的PSC的性能及的性能及48h48h后效率变化后效率变化17极高吸光能力的微观机理极高吸光能力的微观机理光生载流子的产生机理光生载流子的产生机理界面作用界面作用优点是吸光系数很大,吸光能力比传统染料高 10 倍以上,但其微观机理都没有定论.争论:激发电子-空穴对机理 激发激子机理.多晶材料制备,对界面载流子的注入和传导具有重大影响;吸光层与电子传输层、HTM之间的界面对整个能量转换的作用到目前无太多的研究.3、理论研究：理论研究：存在的问题及展望存在的问题及展望1赵雨,李惠,关雷雷,吴嘉达,许宁.钙钛矿太阳能电池技术发展历史与现状J.材料报,2015,1
14、1:17-21+291魏静,赵清,李恒,施成龙,田建军,曹国忠,俞大鹏.钙钛矿太阳能电池：光伏领域的新希望J.中国科学：技术科学,2014,08:619-629.182023/5/144 4、寻找合适替代材料：、寻找合适替代材料：（1）制备无铅钙钛矿材料:现在的有机金属卤化物钙钛矿材料含有铅元素。（2）氧化物钙钛矿太阳能材料:除了有机/无机复合钙钛矿材料以外,所以也必须研究一些能带合适、吸光能力强的无机氧化物钙钛矿材料在高效能量转换方面的潜能.（3）新的电子/空穴传导材料:现在使用的有机空穴传输材料 Spiro-OMeTAD,必须寻找更加有效、稳定且廉价的电子/空穴传输材料来提高钙钛矿太阳能电
15、池的转换效率.1赵雨,李惠,关雷雷,吴嘉达,许宁.钙钛矿太阳能电池技术发展历史与现状J.材料报,2015,11:17-21+291魏静,赵清,李恒,施成龙,田建军,曹国忠,俞大鹏.钙钛矿太阳能电池：光伏领域的新希望J.中国科学：技术科学,2014,08:619-629.存在的问题及展望存在的问题及展望192023/5/14展望：展望：自太阳电池采用钙钛矿材料以来，其效率屡次翻番，并逐渐引起了业界的注意。它不仅拥有第一代太阳电池高转化效率的特点，还有第二代太阳电池薄膜化的特点，可用溶液法卷对卷生产，并以独特的光电性能引领着第三代太阳电池的发展，制备工艺简单、能耗低，可与硅薄膜材料结合，拓宽了钙钛矿材料在太阳电池中的应用，基于钙钛矿太阳能电池转化效率的巨大提升空间，发展前景必然十分广阔 目前，钙钛矿太阳电池进入深入研究阶段，而如何在现有技术基础上，进一步降低成本，提高效率和稳定性，推进其产业化，是将来主要的研究方向。存在的问题及展望存在的问题及展望结束结束展示到此结束，谢谢大家！展示到此结束，谢谢大家！