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1、華南師范大學(xué)材料所趙靈智老師結(jié)課論文2016-1-20鈣鈦礦太陽能電池的原理及其制備戚明月2015021316摘要：本文簡要回顧了鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展歷史,表明了鈣鈦礦太陽能電池在本質(zhì)上是固態(tài)染料敏化太陽能電池。從電池的光生電機理、各層材料及其作用和電池結(jié)構(gòu)等角度介紹了鈣鈦礦太陽能電池。以此為基礎(chǔ)，成功制備了一批鈣鈦礦太陽能電池并簡單的檢測了其伏安曲線，以此分析判斷制備工藝的不同對其的影響。最后指出了鈣鈦礦太陽能電池大規(guī)模市場應(yīng)用在制造技術(shù)上的瓶頸以及可能的解決方法。關(guān)鍵詞：鈣鈦礦太陽能電池；制備；性能4華南師范大學(xué)材料所趙靈智老師結(jié)
2、課論文2016-1-201引言眾所周知，能源問題材料科技發(fā)展的一大動力，太陽能電池作為清潔的能源從上世紀(jì)50年代就一直是科研的熱點——怎么提高光電轉(zhuǎn)化效率，如何降低成本市場化等等。至今太陽能電池已發(fā)展到第四代，他們分別是第一代晶體硅太陽能電池、第二代化合物薄膜太陽能電池、第三代聚合物太陽能電池和第四代光敏化太陽能電池，而本文重點介紹的鈣鈦礦太陽能電池實質(zhì)上是固態(tài)染料敏化太陽能電池。其中硅基太陽能電池研究最早，技術(shù)也最為成熟，分為單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽能電池，雖然占據(jù)了太陽能絕大部分的市場，但由于不是效率不高、不穩(wěn)定，就是成本太高，制
3、備污染大等原因，有待尋找新的材料及技術(shù)。近些年發(fā)展的薄膜太陽能電池和聚合物太陽能電池，都或多或少不能滿足市場化的要求，比如技術(shù)較為成熟的碲化鎘薄膜太陽能電池中鎘有毒，銅銦硒薄膜太陽能電池中稀有金屬硒成本高，而聚合物太陽能電池雖有其他無機材料無可比擬的工藝簡單、柔性好等優(yōu)點，但光電轉(zhuǎn)化效率瓶頸難以突破。幾類薄膜太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率如圖1。從圖中可以看出，最后投入研究的鈣鈦礦太陽能電池異軍突起，光電轉(zhuǎn)換效率迅猛上升，目前已超過之前所有太陽能電池材料。雖然鈣鈦礦太陽能電池目前也存在著一些技術(shù)上的瓶頸和市場化的難題，但憑借高轉(zhuǎn)化效率，污染少等
4、優(yōu)勢，是值得研究的。圖1 幾類薄膜太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率2鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展1839年,俄羅斯礦物學(xué)家vonPerovski首次發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦存在于烏拉爾山的變質(zhì)巖中。目前,已知有數(shù)百種此類礦物質(zhì),其家族成員從導(dǎo)體到絕緣體范圍極為廣泛,最著名的是高溫氧化銅超導(dǎo)體。制備鈣鈦礦太陽能電池所用的鈣鈦礦鈣鈦礦太陽能電池材料通常為CH3NH3PbI3,屬于半導(dǎo)體。如圖2所示。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的通式為ABO3，鈣鈦礦太陽能電池中A為甲基胺,B為鉛,O為碘或氯或者兩者混合。圖2 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)示意圖4華南師范大學(xué)材料所趙靈智老師結(jié)課論文2016-1-20鈣鈦礦
5、太陽能電池的興起得益于染料敏化太陽能電池技術(shù)的發(fā)展。液態(tài)染料敏化太陽能電池由多孔TiO2及其附著的增強光吸收的染料、氧化還原液體電解質(zhì)和金屬對電極組成。多孔TiO2的主要作用是增大比表面積吸附更多的染料以吸收更多的入射光。其中光電轉(zhuǎn)換效率較高的敏化太陽能電池使用的染料是稀有金屬釕合金，雖然有制備易、污染低、且不需要大型無塵設(shè)備等優(yōu)點，但染料成本較高。所以尋找較為合適的吸光染料就成了突破瓶頸的焦點。Miyasaka等人于2006年和2008年報道了他們用鈣鈦礦材料CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3作染料的敏化太陽能電池,雖然效率
6、不高，但經(jīng)過一系列的技術(shù)和傳輸層材料的改進，鈣鈦礦太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率一步步提高，超過其他種類的太陽能電池，已然是太陽能電池技術(shù)的明日之星。然而用傳統(tǒng)的敏化太陽能電池技術(shù)制備的液態(tài)電解質(zhì)的鈣鈦礦太陽電池存在一個致命的缺陷,即液態(tài)電解質(zhì)會溶解或者分解鈣鈦礦材料,以至于電池在幾分鐘內(nèi)失效。解決辦法之一就是像Miyasaka課題組2008年文獻報道中的那樣采用固態(tài)電解質(zhì)作空穴傳輸層，因此鈣鈦礦太陽能電池的本質(zhì)是固態(tài)敏化太陽能電池，也確定了鈣鈦礦太陽能電池的初雛形。3鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)及其原理鈣鈦礦太陽能電池本質(zhì)上是一種固態(tài)染料敏化太陽能電
7、池。它具有類似于非晶硅薄膜太陽能電池的P-I-N結(jié)構(gòu)。鈣鈦礦材料作為光吸收層(I本征層)夾在電子傳輸層TiO2(N型)和空穴傳輸層HTM(P型)之間。目前光電轉(zhuǎn)化效率較高且穩(wěn)定的的結(jié)構(gòu)如下圖3。圖3鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖其中，致密TiO2作為阻擋層，有效提高電子空穴分離效率，多孔TiO2作為吸附材料和電子傳輸層，而空穴傳輸層為Spiro-OMeTAD，電極分別是FTO和銀電極。選材的依據(jù)中有一個先決條件，那就是各層材料的能級圖，只有能級搭配合理，才能有效傳輸電子和空穴而不至于電子空穴在內(nèi)部就復(fù)合掉了。其光伏發(fā)電的能級圖及電子空穴對產(chǎn)
8、生、輸運過程見圖4。圖4鈣鈦礦太陽能電池材料能級圖鈣鈦礦CH3NH3PbI3的禁帶寬度為1.5eV。當(dāng)能量大于其禁帶寬度的入射光照射鈣鈦礦材料時,激發(fā)出電子空穴對,電子空穴對在鈣鈦礦中傳輸,到達TiO2/鈣
