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1、钙钛矿太阳能电池汇报人：黄蕾 宫文婧 张庆制作人：吴慧 蓝小玲 刘敏 张依依2目录CONTENTS背景介绍发展历程工作原理与制备存在的问题及展望1234 3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
2、太阳能电池 4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：图4 钙钛矿的晶胞模型图5 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C 带隙宽度合适C 优良的双极性载流子输运性质C 低成本温和条件制备、结构简单5发展历程 11883 年第一块太阳电池制备成功。查理斯用硒半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结，只有1%的效率第一个半导体太阳能电池在1954 年诞生在贝尔实验室。太阳
3、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,李明军,李旭,韦志仁,滕枫.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,2015,07:581-592.1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,通过修饰TiO2 衬底表面，将钙钛矿敏化电池的效率提高到了 6.5%.2012 年，利用固态空穴传输材料替代液态电解质，取得 了 9.7%的光电转换效率。发
4、展历程 21 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,2014,08:801-821.2013 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15.4%和12.2%。2013 年 11 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 15.7%和 10%的平面结构钙钛矿太阳能电池。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，电池效率由5.26%提升到6.26%。发展历程 31 张玮皓,彭晓晨,冯晓东.钙钛矿太阳能电池的研究进展J.电子元件与材料,2014,08:
5、7-11.图6 钙钛矿太阳能电池效率发展图工作原理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 钙钛矿太阳能电池结构图8 电子传输材料（左）吸光材料（中）空穴传输材料（右）能级示意图工作原理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,2015,09:40-45 PSC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
6、（N型）和HTM（P型）之间。图9 钙钛矿太阳能电池工作原理吸收层的制备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10 一步溶液法吸收层的制备1吴亚美,杨瑞霞,田汉民,王如,花中秋,陈帅.钙钛矿太阳电池
7、吸收层制备工艺J.半导体技术,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1、防止工作电极和背电极接触所导致的短路电流2、其孔隙(直径约为20nm)能够将PbI2晶粒尺寸限制 图11 两步连续沉积法图12 多孔钙钛矿太阳能电池 图13 平面钙钛矿太阳能电池 图14 两步旋涂溶液法 图15 气相蒸发法图16 气相辅助蒸发法n将PbI2溶液旋涂在TiO2层上n干燥后将CH3NH3I溶液旋涂在PbI2/TiO2复合层上，再热退火.形成CH3NH3PbI3。2、再放入到CH3NH3I蒸汽
8、环境中形成CH3NH3PbI31、通过溶液法制备PbI2层吸收层的制备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.图17 溶液法钙钛矿层 图18 气相蒸发法钙钛矿层吸收层的制备1 邵景珍,董伟伟,邓赞红,陶汝华,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研究进展J.功能材料,2014,24:24008-24013存在的问题及展望 制备技术 产业化推进理论研究寻找合适替代材料问题16存在的问题及展望 1、制备技术：PSC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
9、,对屋顶和土壤造成一定的污染.2、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19 北京大学研究小组制备的效率为6.23%的PSC 的性能及48h后效率变化17极高吸光能力的微观机理光生载流子的产生机理界面作用优点
10、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：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,2015,11:17-21+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,2014,08:619-629.182023/6/104、寻找合适替代材料：（1）制备无铅钙钛矿材料
11、: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