钙钛矿太阳能电池介绍

钙钛矿型太阳能电池（perovskite solar cells），是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，即是将染料敏化太阳能电池中的染料作了相应的替换。近年来备受关注，成为新一代太阳能电池研究热潮的焦点。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，它的带隙约为1.5 eV。

钙钛矿太阳能电池的结构

钙钛矿太阳能电池由上到下分别为玻璃、FTO、电子传输层（ETM）、钙钛矿光敏层、空穴传输层（HTM）和金属电极。 其中，电子传输层一般为致密的TiO2纳米颗粒，以阻止钙钛矿层的载流子与FTO中的载流子复合。通过调控TiO2的形貌、元素掺杂或使用其它的n型半导体材料如ZnO等手段来改善该层的导电能力，以提高电池的性能。目前报道的最高效率（～19.3%）的电池使用的即是钇掺杂的TiO2。

钙钛矿光敏层，多数情况下就是一层有机金属卤化物半导体薄膜。也有人使用的是有机金属卤化物填充的介孔结构（TiO2、ZrO2和Al2O3骨架），或者两者都存在，但没有证据表明这种结构有助于电池性能的提高。

空穴传输层，在染料敏化太阳能电池中，该层多为液态I3-/I-电解质。由于CH3NH3PbI3在液态电解质中不稳定，使得电池稳定性差，这也是早期的钙钛矿电池的主要问题。后来，Grätzel 等采用了如spiro-OMeTAD, PEDOT:PSS等固态空穴传输材料，电池效率得到了极大提高，并具有良好的稳定性。

特别地，钙钛矿还可以同时作为吸光和电子传输材料或者同时作为吸光和空穴传输材料。这样，就可以制造不含HTM或ETM的钙钛矿太阳能电池。

钙钛矿太阳能电池中的物理过程

在接受太阳光照射时，钙钛矿层首先吸收光子产生电子-空穴对。由于钙钛矿材激子束缚能的差异，这些载流子或者成为自由载流子，或者形成激子。而且，因为这些钙钛矿材料往往具有较低的载流子复合几率和较高的载流子迁移率，所以载流子的扩散距离和寿命较长。例如，CH3NH3PbI3的载流子扩散长度至少为100nm，而CH3NH3PbI3-xClx的扩散长度甚至大于1μm。这就是钙钛矿太阳能电池优异性能的来源。

然后，这些未复合的电子和空穴分别别电子传输层和空穴传输层收集，即电子从钙钛矿层传输到TiO2等电子传输层，最后被FTO收集；空穴从钙钛矿层传输到空穴传输层，最后被金属电极收集，如下图所示。当然，这些过程中总不免伴随着一些使载流子的损失，如电子传输层的电子与钙钛矿层空穴的可逆复合、电子传输层的电子与空穴传输层的空穴的复合（钙钛矿层不致密的情况）、钙钛矿层的电子与空穴传输层的空穴的复合。要提高电池的整体性能，这些载流子的损失应该降到最低。

最后，通过连接FTO和金属电极的电路而产生光电流。

钙钛矿太阳能电池发展进程

1839年，俄罗斯矿物学家Von Perovski首次发现钙钛矿存在于乌拉尔山的变质岩中。目前，已知有数百种此类矿物质，其家族成员从导体到绝缘体范围极为广泛，其中最著名的是高温氧化铜超导体。钙钛矿结构的通式为ABO3，制备钙钛矿太阳能电池所用的钙钛矿材料通常为CH3NH3PbI3。

1、为了寻找更好的光吸收染料，Miyasaka等于2006年和2008年报道了他们用钙钛矿材料CH3BH3PbI3和CH3NH3PbBr3作为染料的敏化太阳能电池，其中以固态据吡咯炭黑符合材料做空穴传输层得到的染料敏化太阳能电池在一个大气质量太阳光照下能量转换效率为0.4%，用液态I-/I3-电解质做空穴传输材料的电池能量转换效率为2%；2009年该团队用CH3BH3PbI3敏化，用液态I-/I3-氧化还原对作电解质制作的钙钛矿太阳能电池能量转换效率达到3.5%。但是液态电解质的钙钛矿敏化太阳能电池存在一个致命的缺陷，即液态电解质会溶解或者分解钙钛矿材料，以至于电池在几分钟内失效。

2、2011年，韩国科学家Park课题组通过表面处理TiO2和优化钙钛矿制备工艺，使液态电解质中CH3NH3PbI3敏化的太阳能电池的能量转换效率达到6.5%。

3、2013年英国科学家Snaith课题组用多源气相蒸发沉积法制备的钙钛矿作染料制作的平面异质结钙钛矿太阳能电池能量转换效率达到15.4%。

4、2014年初，韩国化学技术研究所(KRICT)的Sang Il Seok和他的团队将广泛应用的钙钛矿材料甲基铵溴化铅与甲脒铅碘相结合，结合后形成的新型材料可以使太阳能电池吸收更多的太阳能。美国国家可再生能源实验室（NREL）对该材料的效率水平进行了官方认证，认证结果显示其效率水平是17.9%。同年5月，加州大学洛杉矶分校(UCLA)的Yang等创新性的将钙钛矿半导体放置在两层金属氧化物层中间，并且不堆叠，提升能量转换效率，大大提升电池稳定性。将电池的转化效率提升到了19.3%。

5、2016年，中国科学院大连化学物理研究所洁净能源国家实验室太阳能研究部硅基太阳能电池研究组研究员李灿、刘生忠带领的团队与陕西师范大学博士杨栋合作，运用离子液修饰氧化钛电子传输材料，提高了电子迁移率、降低了表面粗糙度，同时使费米能级上移，利于器件中电子的导出。基于上述传输材料制备的平面型钙钛矿太阳能电池效率达到19.62%，是目前钙钛矿平面型器件的最高效率。

6、2016年，瑞士洛桑联邦理工学院Michael Grätzel等将Rb离子嵌入钙钛矿中形成多阳离子钙钛矿材料，效率高达21.6%。

根据钙钛矿太阳能电池的结构和研究特点，伟伯化工提供：致密层材料用试剂，光吸收层材料用试剂，电子传输层和空穴传输层等常用试剂。品种齐全、质量优异、货源稳定。

光吸收层材料用试剂

空穴传输层材料用试剂

电子传输层材料用试剂