发布时间 : 星期日 文章浅谈钙钛矿太阳能电池技术与发展更新完毕开始阅读2308661658eef8c75fbfc77da26925c52cc59127
的PbI2薄膜更易于和CH3NH3I溶液反应，从而使得最后制备出的钙钛矿吸收材料的晶粒大小一致，分布更加均匀。通过抑制PbI2快速结晶的方法来实现其完全转化为CH3NH3PbI3并形成颗粒尺寸大小一致的钙钛矿薄膜进而来满足高效率的钙钛矿太阳电池的再现性。 3.3 双源气相共蒸发法
双源气相蒸发法是Snaith等在2013年首次应用于制备钙钛矿吸收层的一种方法。通过控制反应原料MAX和PbX2的蒸发速度来控制钙钛矿吸收材料的组成，并形成了一种新型的平面异质结钙钛矿太阳电池。这种方法制备出的钙钛矿薄膜虽然比溶液法制备出的更加均匀，薄膜的覆盖率也比较高，避免了电子传输材料和空穴传输材料的直接接触，但是需要较为复杂的MAX和PbX2共蒸发装置。
3.4 气相辅助溶液法
气相辅助溶液法是杨阳等首次采用的一种制备钙钛矿吸收材料的新方法。该方法为在旋涂PbX2薄膜以后，将其置于MAX蒸汽中，缓慢的生成钙钛矿吸收层。制备出的钙钛矿吸收材料表面均匀、薄膜覆盖率比较高。与溶液法相比较，制备出的钙钛矿晶粒尺寸变大、薄膜粗糙度降低。改善了双源气相蒸发过程中蒸发速度过快的问题，降低了实验设备的要求。
图5双源气相蒸发法(a)和气象辅助溶液沉积法(b)制备钙钛矿太阳能电池吸收层对比
图11 气相蒸发法(a)、溶液法(b)和气相辅助溶液沉积法(c)得到的钙钛矿薄膜 SEM 图对比
4.钙钛矿太阳电池的优势及面临的问题
与现有太阳能电池技术相比, 钙钛矿材料及器件具有以下几方面的优点： (1)综合性能优良的新型材料：这种新型的无机/有机复合钙钛矿材料能同时高效完成入射光的吸收、光生载流子的激发、输运、分离等多个过程。
(2)消光系数高且带隙宽度合适:能带宽度较佳，约为1.5eV；具有极高的消光系数，光吸收能力比其它有机染料高10倍以上，400nm厚的薄膜即可吸收紫外-近红外光谱范围内的所有光子;而在光电性质方面，甲胺卤化铅钙钛矿材料表现出了优异的性能，它的光吸收能力比染料高10倍以上，结构具有稳定性，并且通过替位掺杂等手段，可以调节材料带隙，实现类量子点的功能，是开发高效低成本太阳能电池的理想材料。
(3)优良的双极性载流子输运性质:此类钙钛矿材料能高效传输电子和空穴，其电子/空穴输运长度大于1μm;载流子寿命远远长于其它太阳能电池。
(4)开路电压较高：钙钛矿太阳能电池目前的开路电压已达1.3V，接近于GaAs电池，远高于其它电池，说明在全日光照射下的能量损耗很低，转换效率还有大幅提高的空间。钙钛矿电池的最大优势是它在全光照下能产生很高的开路电压。太阳能电池产生的最大电压，开路电压Voc，反映了材料吸收光谱产生的最大能量, 这个能量与材料能吸收的最长波长光谱所对应能量的差值, 可以作为估算电池光电转换的基本能量损失的参考值。
(5)结构简单：这种电池由透明电极、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、金属电极五部分构成, 可做成P-I-N型平面结构, 有利于规模生产, 如图6所示。
(6)低成本温和条件制备: 电池核心材料-复合钙钛矿材料可通过温和条件制备, 如涂布法、气相沉积法以及混合工艺等, 工艺简单、制造成本低、能耗低、
环境友好。
(7)可制备高效柔性器件: 可以采用辊-辊大面积制造工艺将电池制在塑料、织物等柔性基底上, 作为可穿戴、移动式柔性电源。 Liu等人在大于1 cm2的柔性衬底上制备的钙钛矿柔性电池具有 10.2%的转换效率, 是柔性太阳能器件发展中的一个里程碑,其结构简单如图 6 所示。
图6全固态钙钛矿太阳能电池结构和工作原理示意图(a), 以及剖面结构 SEM 图(b)
近几年来钙钛矿太阳电池的发展和研究均表现出了良好的趋势，短短几年成为了当今最有发展前途的光伏技术之一。钙钛矿太阳电池不仅可以低了制备成本及使用成本，而且高达50%的理论光电转换效率，是当前市场上主流太阳电池效率的两倍。从2009年，光电转化效率的不到4%的钙钛矿太阳电池的首次报道以来，短短5年的时间里，在2013年转换效率已经突破15%。钙钛矿太阳电池的发展速度超出了人们的预期，平均每年提高3%左右的光电转换效率以及最高效率突破15%，被美国《SCIENCE》评为2013年十大科技突破之一。随后，英国的《NATURE》在2014年初预测钙钛矿太阳电池会在当年光电转换效率会突破20%，更加环保的无铅钙钛矿太阳电池也会在当年问世，这在当年被光伏领域作为了最值得期待的科技突破之一，光伏领域的研究者对钙钛矿太阳电池的研究热情被点燃了。目前，整个钙钛矿太阳电池领域的研究发展趋势有以下的几个方面：拓宽吸收光谱范围、获得较高的开路电压、制备出高质量钙钛矿结构有机金属卤化物、开发新型空穴传输材料和光阳极材料、提高器件的一致性和稳定性、研究电池的机理性能和测试方法、制备平面异质结钙钛矿太阳电池、有机电子输运材料型钙钛矿太阳电池、透明型钙钛矿太阳电池以及大面积的钙钛矿太阳电池。
目前，钙钛矿太阳电池的光电转换效率在实验室水平已经突破了20%，但是还有若干关键因素对钙钛矿太阳电池的发展有制约作用：(1)高性能电池器件的
重现性。虽然钙钛矿太阳电池的转换效率一直在提高，但是较差的重现性会影响到将来大规模应用和进一步的科学研究。钙钛矿太阳电池在制备过程对细微条件的变化非常敏感，这导致同一条件下制备出的一组电池的光电转换效率有很大的统计偏差。(2)太阳电池器件的稳定性。钙钛矿太阳电池在暴露在大气环境下光电转换效率存在严重的衰减，另外紫外光照、温度、水分、有机分子也会影响到钙钛矿太阳电池的稳定性。所以开发稳定性较高的电子/空穴传输材料、光吸收层等太阳电池的组成材料，寻找简单有效的的电池器件封装的方法，将会提高钙钛矿太阳电池的稳定性有帮助。(3)大面积太阳电池的制备。高转换效率的钙钛矿太阳电池的有效光照面积都比较小，加大制备面积后造成了器件薄膜的均匀性变差，使得大面积的太阳电池的转换效率不高。目前，制备钙钛矿太阳电池最常用的是旋涂法，这种方法不利于大面积、连续的钙钛矿薄膜的制备。所以对新制备方法的探索和研究，希望可以制备出大面积高效率的电池器件，为以后的大规模的商业化生产提供可能性。(4)环境污染问题。常用的钙钛矿太阳电池的吸收层中含有可溶性重金属Pb，并且在器件制备过程中还可能用到有毒性的有机溶剂，易对环境造成污染。开发出环境友好型无Pb的钙钛矿太阳电池已经成为了新的研究方向。(5)钙钛矿太阳电池的理论研究。来源于染料敏化电池的钙钛矿太阳电池在短时间的飞速发展和取得的成绩，使得研究者将更多的精力放在了如何改进薄膜的合成方法、提高材料的性能和电池的效率上面，对电池微观物理机理、材料的基本性质、电池工作机理的深层认识还缺乏。增强钙钛矿太阳电池的理论研究，不仅可以进一步提高电池性能，而且也可以为寻找更简单、高效的新型结构提供思路。由于钙钛矿太阳电池独特的性质，使其具有非常光明的产业前景，成为了现有的商业太阳电池最有潜力的竞争者之一。因此，钙钛矿太阳电池的积极的开展和研究对抢占太阳电池行业发展的先机，促进新型太阳电池技术的升级换代具有重要意义。从长远意义上考虑，开展钙钛矿太阳电池研究，推动其大面积产业化，为人类获得更廉价、更方便的环保清洁能源，以及对经济和整个人类的可持续发展、提高绿色GDP、治污防霾都具有重要意义。
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