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钙钛矿型太阳能电池研究进展


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题目:钙钛矿型太阳能电池研究进展

姓 名 学 号 年级专业 指导教师

郭天凯 2012437019 2012 应用物理

2014 年 7 月 11 日

摘要:近年来,为了解决日益严峻的能源和环境问题,人们把目光投向了 新能源的开发和利用上。在各种新能源技术中,光伏发电无疑是最具有前景 的方向之一。传统的硅基太阳能电池虽然实现了产业化,有着较为成熟的市

场,但其性价比还无法与传统能源相竞争,并且制造过程中的污染和能耗问 题影响了其广泛应用。因此,研究和发展高效率、低成本的新型太阳能电池 十分必要。在众多的新型太阳能电池里,钙钛矿薄膜太阳能电池近两年脱颖 而出,吸引了众多科研工作者的关注,还被《Science》评选为 2013 年十大 科学突破之一。 钙钛矿薄膜太阳能电池的光电转化效率在 5 年的时间内从 3.8% 迅速提高到经过认证的 16.2%(截止到 2013 年底) ,把染料敏化太阳能电池、 有机太阳能电池等新型薄膜太阳电池甩在了身后。 关键词:钙钛矿太阳能电池,研究领域,前沿科技,发展态势 一、钛矿太阳电池技术研究领域的定义及其重要性 1、钛矿太阳电池技术研究领域的定义 钙钛矿太阳电池是以具有钙钛矿结构的有机-金属卤化物 (简称: 钙钛矿) 等作为核心光吸收、光电转换、光生载流子输运材料的太阳电池。 钙钛矿太阳电池技术研究领域是指有关钙钛矿太阳电池的工作机理、结 构、特性、核心制备工艺与关键产业化生产工艺、应用研究等。 钙钛矿太阳电池所采用的这种具有钙钛矿结构的有机-金属卤化物光吸 收体具有良好的光吸收、光电转换特性以及优异的光生载流子输运特性,其 电子与空穴扩散长度均可超过 1000 nm。因而采用这种新型光电转换材料的钙 钛矿太阳电池具有特别优异的光电转换特性,目前实验室样品光电转换效率 已高达 16.2%。 目前钙钛矿太阳电池的构造通常采用体相异质结结构、平面异质结结构 和无空穴输运材料异质结结构等。 钙钛矿太阳电池的实验室制备工艺通常采用液相沉积工艺、气相沉积工 艺以及液相/气相混合沉积工艺。 基于上述简洁的构造、方便的制备工艺和优异的光电转换性能,钙钛矿 太阳电池因而有望成为具有高效率、低成本、柔性、全固态等优点的新一代 太阳电池。 钙钛矿太阳电池的大规模产业化生产将可采用卷对卷湿法涂覆、可打印 印刷技术和干法等离子体增强沉积技术等。 钙钛矿太阳电池具有光明的应用前景和宽广的应用范围,特别适用于建 筑光伏一体化(BIPV)、偏远地区分布式发电电站、家庭式发电电站、移动 (室内、便携式)电子产品、艺术装饰品等应用。 2、钛矿太阳电池技术研究领域的重要性 能源是社会和经济发展的重要基础条件,迄今为止人类社会发展仍然主要 依赖于化石能源。但化石能源在地球上的分布极不均衡,并且终究会枯竭。 另外燃烧化石能源带来的环境污染、雾霾气候和温室效应严重威胁人类社会 的可持续发展。太阳电池能够利用太阳能直接转化为电能,可以为人类社会 发展提供取之不尽用之不竭的清洁能源,是人类社会应对能源危机,解决环 境问题,寻求可持续发展的重要对策。 经过长期的研究与发展,目前单晶硅基太阳电池技术已经比较成熟。但 单晶硅基太阳电池存在生产成本高、生产过程能量消耗大、环境污染严重、

成本回收时间长等问题。因此,人们还在不断地探索开发更廉价的高效太阳 电池技术。经过多年的发展,基于 CuInGaSe、CdTe、多晶硅、非晶硅等材料 的薄膜太阳电池技术已经取得了长足的进步。但这些电池技术仍然存在这样 那样的不足,例如 CuInGaSe 薄膜电池需要使用地壳中非常匮乏的元素 In 和 Ga,不利于这种电池的大规模持续应用,而 CdTe 中含有重金属元素 Cd,会造 成环境污染问题。为此,探索高效、廉价、环保的新型太阳电池技术的努力 仍在继续,新兴的太阳电池技术不断涌现,包括染料敏化太阳电池、有机太 阳电池和量子点太阳电池等。 2009 年,日本 Miyasaka 等人在研究敏化太阳电池的过程中,首次使用具 有钙钛矿结构的有机金属卤化物 CH3NH3PbBr3 和 CH3NH3PbI3 作为敏化剂, 拉 开了钙钛矿太阳电池研究的序幕。在随后短短的几年时间内,钙钛矿太阳电 池技术取得了突飞猛进的进展,能量转换效率已经超过了染料敏化太阳电池、 有机太阳电池和量子点太阳电池。2014 年第一期英国《自然(NATURE)》周 刊甚至预计今年钙钛矿太阳电池的能量转换效率会达到 20%, 也就是达到目前 技术已经比较成熟的 CuInGaSe 薄膜太阳电池的水平,从而为钙钛矿太阳电池 的产业化发展指明方向。 钙钛矿太阳电池不仅具有较高的能量转换效率,而且其核心光电转换材 料具有廉价、可溶液制备的特点,便于采用不需要真空条件的卷对卷技术制 备,这为钙钛矿太阳电池的大规模、低成本制造提供可能。不仅如此,钙钛 矿太阳电池还可以制备在柔性衬底上,便于应用在各种柔性电子产品中,例 如可穿戴的电子设备、折叠式军用帐篷等。与染料敏化太阳电池相比,钙钛 矿太阳电池不需要液体电解质,不用担心太阳电池的漏液问题。与有机光伏 器件相比,钙钛矿太阳电池的核心光电转换材料是有机-无机杂化材料,材料 的耐候性可能会优于有机光伏器件中使用的有机半导体材料。这些优点可能 会使钙钛矿太阳电池在实际使用中具有比染料敏化太阳电池和有机光伏器件 更好的性能稳定性和更长的使用寿命。基于上述原因,钙钛矿太阳电池具有 非常光明的产业化前景,是现有商业太阳电池最有潜力的竞争者。因此,积 极开展钙钛矿太阳电池研究对于抢占太阳电池行业发展的先机,促进太阳电 池技术的升级换代具有重要意义。从更高的层次上讲,开展钙钛矿太阳电池 研究,推动钙钛矿电池的产业化,将使人类更廉价、更方便地获得取之不尽、 用之不竭的清洁能源, 对于整个人类社会和经济的可持续发展、 提高绿色 GDP、 治污防霾都具有重要意义。 二、矿太阳电池技术研究领域世界前沿科技发展态势 近四年来,钙钛矿太阳电池得到了迅速发展,其光电转换效率由最初的 3.8%发展到了 16.2%的水平。同时,电池器件在低温制备及柔性化方面也取得 了较大进展。 在 2009 年,具有钙钛矿结构的有机铅卤化物首次作为光吸收材料被用于 液态电解质染料敏化太阳电池。由于钙钛矿吸光层在液态电解质中稳定性差, 仅得到 3.8%左右的光电转换效率。此后,通过进一步优化光阳极介孔薄膜的

厚度,液态电解质染料敏化太阳电池的效率提高到了 6.54%。同其他常见报道 的染料相比,新型钙钛矿结构光吸收薄膜具有高消光系数和宽吸收光谱范围。 它的这一优势在固态染料敏化太阳能上得到了充分体现。2012 年,韩国 科研人员报道了基于钙钛矿敏化固态介孔太阳电池,效率可达 9.7%。同年, 英国牛津大学 Snaith 小组通过对介孔材料及钙钛矿结构光吸收材料的优选, 采用了“介孔超结构杂化太阳能电池”,将固态敏化太阳电池的效率提高到 了 10.9%。通过进一步的研究发现降低杂化电池介孔层的厚度,也可显著提高 电池器件的光电转换效率。这一结果为 “平面异质结(Planar Heterojunction)” 钙钛矿电池的出现提供了可能性。 2013 年,Snaith 小组首次报道了光电转换效率为 15.4%的平面异质结钙 钛矿太阳电池。与此同时,美国和韩国科研人员也对平面异质结钙钛矿太阳 电池进行了广泛的研究。2013 年,低温钙钛矿太阳电池和柔性钙钛矿太阳电 池也都得到了迅猛发展。通过发展致密层低温制备技术及开发新型电子收集 层材料,低温钙钛矿电池光电转换效率已达 15.9%。采用 ZnO 纳米颗粒作为电 子输运层的柔性钙钛矿电池效率已高达 10.2%。 目前,经美国可再生能源国家实验室(NREL)认证的实验室样品电池的效 率已高达 16.2%。英国《自然》周刊发表评论预计,到 2014 年底,钙钛矿太 阳电池的最高光电转换效率可望突破 20%的大关。 综上所述,钙钛矿太阳电池的突飞猛进,为我们解决能源问题提供了一条 崭新的途径。 三、我国在钙钛矿太阳电池技术研究领域发展现状 我国科学家在钙钛矿太阳电池技术研究领域,虽然起步晚于日本、瑞士、 英国、美国和韩国等国家,但我国科学家的研究工作颇具特色,具有很强的 竞争实力。中科院等离子体所和中科院大连化学物理研究所在探索新型空穴 传输材料方面进行了研究,分别采用 P3HT/多壁碳纳米管,和 PCBTDPP 作为空 穴传输材料,获得了 6.45%,和 5.55%的光电转换效率。华中科技大学开发了 钙钛矿太阳电池新型制备技术,采用廉价的碳材料取代贵金属作为导电电极, 结合全印刷的工艺获得了效率为 6.64%的器件。此外,清华大学着重研究了钙 钛矿太阳电池的稳定性,研究表明引入 Al2O3 层会提高钙钛矿太阳电池的稳 定性。中国科学院物理所报道了效率为 10.49%无空穴传输材料的钙钛矿太阳 电池,并结合单异质结理想二极管模型及阻抗技术证明了该类无空穴传输材 料的钙钛矿太阳电池是一种典型的异质结电池。国科研工作者在钙钛矿太阳 电池的研究将会更进一步地促进钙钛矿太阳电池的发展。 但是我国在钙钛矿太阳电池技术研究领域的研究工作起步稍晚,目前的 研究工作无论是从数量上和还是从质量上与国际水平相比较均有不小的差 距。存在的问题主要有总体上原创性还不够强、尚缺乏系统深入的工作。 四、区发展钙钛矿太阳电池技术领域的相关建议 1、瞻部署 面向首都防污治霾、解决清洁能源问题的重大战略需求,以光-电转换为 核心,以新型钙钛矿光电材料设计与制备为基础,发挥新型光电材料的理论

与模拟的引领作用,重视微纳结构和表面界面工程研究,旨在揭示钙钛矿太 阳电池高效光-电转换的机理,突破现有原理和技术局限,为新型钙钛矿光电 转换材料和器件在可再生能源的开发和能源高效利用方面提供新思路和技术 支撑。 通过材料、化学、数理和信息等多学科交叉,在理论和实验的源头创新上 取得突破,揭示提高光-电转换性能的新机制,建立和发展新型高效钙钛矿光 电转换材料制备和高效钙钛矿太阳电池制造新方法,发展具有自主知识产权 的材料体系,为可再生能源的研究与开发提供新途径,造就一支在全国有影 响力的研究队伍,提高首都在光电材料和器件研究领域的整体创新能力。 2、点研究方向 1) 钙钛矿太阳电池光-电转换基本过程与原理 重点研究钙钛矿太阳电池光电转换过程的机理、理论与模拟,揭示高效钙 钛矿太阳电池光-电转换的新机制,发展新结构;建立以性能预测为导向的计 算方法与高效钙钛矿太阳电池器件物理模型;提出突破现有框架的新理论与 材料设计的计算方法。 2) 高稳定性宽光谱固态高效钙钛矿太阳电池的设计与可控制备 重点研究新型钙钛矿光电转换材料的设计与制备及其器件应用, 发展具有 自主知识产权的高效稳定的光-电转换材料体系,包括有机、氧化物与和化合 物半导体光伏材料等,提出光电转换材料设计新概念、新理论和新方法等。 研究探索新型的高稳定性、宽光谱捕光材料和无机空穴传输材料,并制备出 高稳定性、宽光谱、固态高效钙钛矿太阳电池。 3) 低成本大面积柔性高效钙钛矿太阳电池结构和表面界面工程 通过微纳结构、表面界面工程及其功能调控,研究表面界面结构、微纳结 构对光-电转换性能的影响规律,建立和发展界面结构及聚集态结构的原位、 实时表征方法,探索实现高效稳定的光伏以及与能源利用相关的光电器件新 原理和新结构。采用原子层沉积(ALD)技术,研究探索新型的光阳极核壳结 构与势垒层和高孔隙率半导体光阳极,采用卷对卷(ROLL TO ROLL)技术制 备出低成本、大面积、柔性、高效金属-绝缘层-半导体(M-I-S)结构钙钛矿 太阳电池。 参考文献: [1] 邹小平。钙钛矿太阳电池技术研究领域前沿科技发展报告。前沿视 点, 2014, 3 [2] 频 道 , 能 源 。 中科院物理所 , 太阳能电池 , 钙钛矿


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