鈣鈦礦型太陽電池研究進展-應(yīng)用化學(xué)

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1、第３３卷第５期應(yīng)用化學(xué)Ｖｏｌ．３３Ｉｓｓ．５２０１６年５月ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＡＰＰＬＩＥＤＣＨＥＭＩＳＴＲＹＭａｙ２０１６殝檵檵檵檵殝檵檵殝綜檵合評檵述檵檵殝鈣鈦礦型太陽電池研究進展ａ，ｂａａ劉嬌李仁志董獻堆ａ（中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所現(xiàn)代分析技術(shù)工程實驗室／電分析化學(xué)國家重點實驗室長春１３００２２；ｂ中國科學(xué)院大學(xué)北京１０００４９）摘要自從２００９年鈣鈦礦材料被應(yīng)用到太陽電池領(lǐng)域，到現(xiàn)在僅６年的時間里，鈣鈦礦型太陽電池的光伏轉(zhuǎn)換效率從約３％提高到２０１％，受到全球矚目。本文對近年來鈣鈦礦型太陽電池的發(fā)展進行了綜述，介紹了鈣鈦礦吸光材料的性能及其制備

2、，總結(jié)了鈣鈦礦型太陽電池器件結(jié)構(gòu)及其內(nèi)在機理，探討了該類型電池待突破的方向和可能的解決途徑，闡述了鈣鈦礦型太陽電池的進展歷程，展望了未來發(fā)展方向。關(guān)鍵詞鈣鈦礦型太陽電池；光電性能研究；全固態(tài)太陽電池；機理中圖分類號：Ｏ６４９．４文獻標(biāo)識碼：Ａ文章編號：１００００５１８（２０１６）０５０４８９１５ＤＯＩ：１０．１１９４４／ｊ．ｉｓｓｎ．１００００５１８．２０１６．０５．１５０２１０在能源危機和環(huán)境污染的大背景下，開發(fā)新型環(huán)保、可再生能源成為人類的重要課題，太陽能取之不盡、用之不竭、沒有任何污染、基本不受地域限制，在可預(yù)見的未來是我們的重要能量來源。多年來，人們大力研

3、發(fā)各種類型的太陽電池，力圖將太陽能高效地轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)經(jīng)濟環(huán)保的光伏發(fā)電，而制備低成本、無污染、高效率、易實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用的太陽電池是人們一直以來努力的目標(biāo)。實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的單晶硅／多晶硅太陽電池及單晶硅／非晶硅薄膜太陽電池已經(jīng)實現(xiàn)了超過２０％［１］的光伏轉(zhuǎn)換效率。硅基太陽電池工藝成熟，已應(yīng)用多年，但一直存在著造價高昂、制備條件苛刻、工藝［２］非環(huán)保等問題。而碲化鎘和銅銦鎵硒太陽電池，雖然在實驗室實現(xiàn)了很高的光伏轉(zhuǎn)換效率，但受制于［３］制作成本及環(huán)境污染等問題，僅得到初步產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。人們一直在探索實現(xiàn)各種光伏轉(zhuǎn)換的可能途徑，［４］［５］包括薄膜硅、薄膜Ⅱ／Ⅴ／Ⅱ／Ⅵ族半導(dǎo)體

4、、量子點敏化、有機異質(zhì)結(jié)、染料敏化等新型太陽電池。量［４］子點敏化太陽電池通過調(diào)節(jié)量子點尺寸來調(diào)節(jié)帶隙，擴大光吸收范圍，研究重點是尋找實現(xiàn)多激子［５］發(fā)生和具有恰當(dāng)中間帶結(jié)構(gòu)的的新型材料。有機異質(zhì)結(jié)太陽電池基于施主受主交叉結(jié)構(gòu)實現(xiàn)界面電荷分離，制作工藝不成熟、機理復(fù)雜，仍待改進優(yōu)化。染料敏化太陽電池，被認(rèn)為是具備諸多優(yōu)點（如成本低及原料豐富等）的第三代太陽電池，其本質(zhì)上是一種在微尺度界面上基于單分子層吸光產(chǎn)生電荷［７］［６］的復(fù)雜器件，從瑞士科學(xué)家Ｇｒｔｚｅｌ在１９９１年發(fā)表的光伏轉(zhuǎn)換效率７．９％的染料敏化太陽電池，到現(xiàn)在最高光伏轉(zhuǎn)換效率達(dá)到１３％，經(jīng)歷２０多年時間，目

5、前染料敏化太陽電池的研究遭遇瓶頸、進展緩［８９］慢，急需創(chuàng)新的設(shè)計思想。最近，中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所王鵬等基于大量的積累研究，提出結(jié)構(gòu)功能從頭全設(shè)計方法有望發(fā)展染料敏化太陽電池的新途徑。這些被稱作“新型技術(shù)”的第三代太陽［１０］電池，已進行了一些初步產(chǎn)業(yè)試驗應(yīng)用，但實現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化，還有較多工作要做。［１１］近年來，全固態(tài)鈣鈦礦型太陽電池異軍突起、迅猛發(fā)展，２００９年日本科學(xué)家ＴｓｕｔｏｍｕＭｉｙａｓａｋａ首次發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦與染料類似，具有吸收太陽光的作用，將其應(yīng)用到太陽電池中，獲得了３８％的光伏轉(zhuǎn)換效率。到現(xiàn)在僅６年的時間里，通過多個研究組對鈣鈦礦型太陽電池的探

6、索研究，該類型電池目前最高［１２１３］光伏轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到２０１％。鈣鈦礦型太陽電池同時擁有低成本和高效率兩個重要特點，為利用太陽能提供了新途徑。鈣鈦礦型太陽電池性能的進一步提升有望解決太陽電池發(fā)展的效率和成本瓶頸，對其進行深入系統(tǒng)的研究具有重大的科學(xué)價值和現(xiàn)實意義，作為目前受到關(guān)注、最有潛力的太陽電池，對其深入研究也具有重要的戰(zhàn)略意義。２０１５０６１９收稿，２０１５１０２６修回，２０１５１１１８接受國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（２０１５ＣＢ９３２２０４）項目資助通訊聯(lián)系人：董獻堆，研究員；Ｔｅｌ：０４３１８５２６２９５２；Ｆａｘ：０４３１８５２６２９５３；

7、Ｅｍａｉｌ：ｄｘｄ＠ｃｉａｃ．ａｃ．ｃｎ；研究方向：新型太陽能電池與技術(shù)，電化學(xué)，科學(xué)儀器４９０應(yīng)用化學(xué)第３３卷鈣鈦礦型太陽電池的迅速發(fā)展，已經(jīng)發(fā)表了多篇以介紹制備方法為重點的綜述，起到了幫助人們快［１４１８］速了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀的作用。然而，本領(lǐng)域發(fā)展極快，簡單的資料羅列價值有限，需要及時有洞察力前瞻性分析，才能獲得獨特深入的理解，做出正確的預(yù)判和規(guī)劃，促進本領(lǐng)域的發(fā)展。本文貫穿鈣鈦礦型太陽電池的發(fā)展主脈絡(luò)，通過對近年鈣鈦礦型太陽電池的研究進展進行回顧和綜述，介紹了鈣鈦礦吸光材料性能及其制備，分析了其基本構(gòu)成和特點，從