|
|
|
钙钛矿太阳能电池Perovskite Solar Cells|图 |
|
|
|
|
|
钙钛矿太阳能电池的发现与研究进展 2009年，日本Toin University of Yokohama的Tsutomu Miyasaka将钙钛矿作为吸光材料加入到太阳能电池器件中，效率达3.8%，但是如此低的效率并没有引起大家的兴趣。但是，2011年，韩国科研人员，Nam-Gyu Park制作的钙钛矿太阳能电池效率达到6.5%。一年后，Michael Gratzel，瑞士顶级太阳能科学家，与Nam-Gyu Park在Nature Scientific Reports联合发表文章，报道钙钛矿太阳能电池效率达到10%(www.pvmeasurements.com.cn)。到2013年初，钙钛矿太阳能电池效率达到12.3%。钙钛矿太阳能电池的效率在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，被《Science》评选为2013年十大科学突破之一。
什么是钙钛矿太阳能电池 最近火热的新型钙钛矿型太阳能电池(Perovskite-Based Solar Cells)的活性材料是有机铅碘化合物(甲胺铅碘，化学式CH3NH3PbI3)，而甲胺铅碘可以形成具有钙钛矿结构的晶体(www.pvmeasurements.com.cn)。所谓钙钛矿(Perovskite)，泛指一类陶瓷氧化物，由于存在于矿石中的钛酸钙(CaTiO3)化合物最早被发现，因此而得名。后钙钛矿成为固体物理里面对这一类晶格类型的称呼，其分子通式为ABX3，A,B,X可以代表不同元素。
钙钛矿太阳能电池的制作 钙钛矿材料的制备是获得高效率钙钛矿太阳能电池的关键步骤。在分子尺度上，PbI2和CH3NH3I能够通过自组装而迅速反应生成CH3NH3PbI3(www.pvmeasurements.com.cn)，因此无论是固相、液相还是气相，只要将两种原料充分混合，就可以得到所需的钙钛矿材料。但是对于厚度不到1 μm的薄膜太阳能电池吸光层来说，固相反应法制备出的大颗粒钙钛矿晶体显然是不适用的。最早用于薄膜太阳能电池的钙钛矿制备方法是液相一步法，即等化学计量比的PbI2和CH3NH3I共溶于γ-丁内酯或N, N-二甲基甲酰胺（DMF）中，取一定量的溶液滴加在纳米多孔支架层上，并以一定的速度旋涂，加热除去溶剂后，就得到了填充了钙钛矿的光阳极。而在制备氯掺杂钙钛矿时，则是采用PbCl2与过量的CH3NH3I作为前驱物，除去溶剂后进行热处理，按化学计量比的部分卤化甲胺与卤化铅生成了钙钛矿，而过量部分则气化除去。液相两步法是将PbI2的沉积与钙钛矿的形成分为两步：首先，将一定浓度的PbI2旋涂到多孔支架层上，再将旋涂了PbI2薄膜浸泡在一定浓度的碘甲胺异丙醇溶液里，黄色的PbI2逐渐转化为棕黑色的钙钛矿。H. Snaith等发展了气相共蒸发沉积法制备钙钛矿薄膜，这种方法同样可以获得高效率的钙钛矿电池，但需要较为复杂的卤化铅和卤化甲胺共蒸发装置。除此之外，气相辅助液相法也是最近发展出的一种新技术，这种方法是在旋涂PbI2薄膜后，将其置于CH3NH3I蒸气中，缓慢生成钙钛矿。相对于共蒸发方法，这种气相辅助液相法可以降低实验设备要求。
以上几种钙钛矿薄膜制备方法，都可以实现12%以上的高效率，但是液相法所用到的旋涂工艺，难以用于规模化生产。因此，气相共蒸发法的工艺优化以及无旋涂操作的新液相法研究，对于未来的钙钛矿型太阳能电池产业化是十分重要的。
钙钛矿太阳能电池的优势 钙钛矿型太阳能电池核心是具有钙钛矿晶型（ABX3）的有机金属卤化物吸光材料（晶胞结构见附图）。在这种钙钛矿ABX3结构中，A为甲胺基（CH3NH3），B为金属铅原子，X为氯、溴、碘等卤素原子。目前在高效钙钛矿型太阳能电池中，最常见的钙钛矿材料是碘化铅甲胺（CH3NH3PbI3），它的带隙约为1.5 eV，消光系数高，几百纳米厚薄膜就可以充分吸收800 nm以下的太阳光。而且，这种材料制备简单，将含有PbI2和CH3NH3I的溶液，在常温下通过旋涂即可获得均匀薄膜。上述特性使得钙钛矿型结构CH3NH3PbI3(www.pvmeasurements.com.cn)不仅可以实现对可见光和部分近红外光的吸收，而且所产生的光生载流子不易复合，能量损失小，这是钙钛矿型太阳能电池能够实现高效率的根本原因。
钙钛矿太阳能电池存在的问题 一是普遍采用的空穴传输材料(Spiro-OMeTAD)(www.pvmeasurements.com.cn)较为昂贵，这提升了整个电池的成本。如果能避免使用这种材料将是最好的选择。二是电池使用了部分有机材料，长期稳定性自然也值得进一步检验。有关电池寿命的研究很少，目前仅有一个研究封装的电池在45度下全负荷光照时的工作情况报道，结果表明500小时后电池的效率下降少于20%，这个结果应该算不错了，稳定性压倒有机太阳能电池。毕竟钙钛矿型电池作为新兴的电池形态，才发展了5年，可以预期这两方面会有足够改进的空间。
钙钛矿太阳能电池IPCE测试曲线
钙钛矿太阳能电池IPCE测量曲线
钙钛矿太阳能电池IPCE
钙钛矿太阳能电池量子效率测试曲线QE测试曲线
钙钛矿太阳能电池量子效率测量曲线QE测量曲线
钙钛矿太阳能电池量子效率QE
钙钛矿太阳能电池展望 钙钛矿薄膜太阳能电池发展面临以下几个方面的挑战: 多孔支架层的低温制备和柔性化; 廉价、稳定、环境友好的全光谱吸收钙钛矿材料的设计和开发; 高效、低成本空穴传输材料的制备等。此外，如何发展适合工业化生产的电池制备工艺也是十分必要的。因此，需要从事钙钛矿薄膜太阳能电池及其它薄膜太阳能电池研究的科研人员进行广泛交流与合作(www.pvmeasurements.com.cn)。我们相信, 在广大科技工作者的不懈努力下, 钙钛矿太阳能电池必将以其优异的性能和低廉的成本而成为硅电池的有力竞争者, 在未来能源结构中占有重要的地位。钙钛矿薄膜太阳能电池具有诱人的发展前景。在现有技术基础上, 进一步降低成本、提高效率和稳定性、推进其工业化，是其必然的发展趋势。
太阳能电池测试系统,太阳能电池测量系统,测试仪,测量仪
|
|
|
|
|
|
