钙钛矿太阳能电池简介

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【摘要】2009年日本同盟横滨大学的教授Akihiro Kojima首次将CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3制备成吸光层用到染料敏化太阳能电池，得到3.8%的效率，后来由于液态电解质导致钙钛矿材料很快分解，从而使电池效率很快衰减。但是研究人员很快意识到钙钛矿既善于吸收阳光，还能运送电荷。本文就钙钛矿的基本知识做简要讲解。

【关键词】钙钛矿 FTO 金属离子

引言

近五年来，钙钛矿太阳电池的开发应用速度都很快，随着制备工艺以及商业化进程不断成熟，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率由2009年的3.8%发展到了20.1%的水平。而硅电池用了几十年效率才达到百分之三十几，所以相比硅时代的太阳能电池来说，钙钛矿太阳能电池有望在以后的太阳能电池行业占有很大的份额。

1. 钙钛矿太阳能电池的结构

钙钛矿太阳电池的叫法来源是因为其吸光层（CH3NH3PbIx）具有钙钛矿的结构，而不是因为其中含有钛酸钙（CaTiO3）这种物质。这一类有机-无机混合的金属卤化物类钙钛矿结构半导体以常见的ABX3形式存在的，其中A的位置是一个一价有机阳离子，B的位置是一个金属阳离子，而X是卤化阴离子。阳离子也可以是一种无机阳离子，如铯。但最有前景的结果是来自有机阳离子的使用，如甲胺基离子（MA）和甲脒离子（FA）。

最常用的有机C无机钙钛矿材料是CH3NH3PbI3-x-yBrxCly（MAPbI3-x-yBrxCly），所以钙钛矿型太阳能电池所拥有的这几个优势使它非常适用于光伏技术，半导体光源，甚至是镭射激光。该材料可以在低温溶液法制备形成高度结晶的薄膜前驱体。其带隙可以通过修改卤化物组分来调节。这类钙钛矿型太阳能电池表现出优秀的高光致发光寿命与迁移率。此外，他们受益于高载流子迁移率，再加上长载流子寿命，意味着它们可以具有超过长的载流子扩散长度的吸收深度。

图1所示就是钙钛矿结构示意图：A原子一般是甲胺基离子（CH3NH3+）；B原子一般是金属原子Pb，为了改善其性能也可以掺入少量Sn原子；X原子一般为Cl、Br、I等卤素单原子或混合原子。

钙钛矿太阳能电池的主要结构，主要包括FTO导电玻璃、致密层、介孔层、绝缘层、碳对电极。

（1）FTO导电玻璃

导电玻璃在电池中的主要作用是收集和运输电子。钙钛矿太阳能电池一般是用掺氟的氧化锡导电玻璃。我们可以利用在辽宁优选商贸有限公司购买的激光刻蚀的FTO作为基底材料，也可以利用锌粉和稀盐酸溶液进行刻蚀。

（2）TiO2致密层

TiO2致密层一般为n型半导体，起到传输电子的作用。一般来说，TiO2致密层最佳厚度范围是50-100 nm，以免影响其串联电阻。将配好TiO2溶胶旋涂到刻蚀好的FTO上，再经过马弗炉500 ℃退火15 min，最后再随炉冷却至室温，在FTO上形成的致密层薄膜。

（3）介孔层

实验中制备TiO2介孔层是具有传输电子，起到通道作用的薄膜层，这一层在实验过程中是可供选择的。

（4） ZrO2绝缘层

印刷ZrO2绝缘层主要是为了避免电池短路。

（5）碳对电极

本实验用碳对电极代替金属电极，不仅成本低廉，而且能有效提高电池的湿度稳定性。

2.钙钛矿太阳能电池的工作原理

钙钛矿太阳能电池的光电转换机理如下：当太阳光照射到FTO上时，钙钛矿吸光层首先吸收光子产生电子-空穴对。由于钙钛矿材料对激发的电子-空穴对的束缚能力不一样，而且这些钙钛矿材料往往载流子复合几率很低、载流子迁移率较高，所以载流子的扩散长度和寿命都较长。

甲氨基碘铅（CH3NH3PbI3）的载流子扩散长度达到了100 nm，而掺杂氯的甲氨基碘铅（CH3NH3PbI3-xClx）的扩散长度甚至大于1 μm。从甲氨基碘铅的载流子扩散长度角度来说，内布拉斯加-林肯大学黄劲松等人已经做出了载流子扩散长度可达175 μm的甲氨基碘铅单晶，这体现了钙钛矿太阳能电池在扩散载流子方面的优异性能。

3.主流太阳能电池的研究现状

从钙钛矿太阳能电池首先在实验室被发现开始，科研人员都把重点放到如何提升电池效率和电池机理研究上面，所以电池的效率发展很快，研究技术也趋向成熟，但随着这几年的发展，人们发现电池在产业化过程中的使用寿命这一因素制约着它的发展。经过研究发现钙钛矿太阳能电池面临以下难题：

①电池的钙钛矿吸光层对水氧条件极其敏感，容易在空气中遇水分解；

②TiO2致密层在紫外线的照射下容易失效；

③另外由于电池含有Pb，属于重金属元素，因此如何解决Pb的污染也是我们需要面对的问题。

钙钛矿吸光层中CH3NH3PbI3在空气中遇水容易分解成CH3NH3I和PbI2，如果长期暴露在空气中CH3NH3I又会继续分解成CH3NH2和HI，最终HI分解出H2使电池失效。同时目前主流钙钛矿太阳能电池结构中普遍用Sprio-OMeTAD这种有机空穴传输材料，这种空穴传输材料容易吸潮，这更加剧了钙钛矿的分解。

能否通过优化电池结构和同时引进疏水材料来一定程度阻挡水分与钙钛矿的接触来加强钙钛矿太阳能电池的稳定性，成为未来研究的主要方向。