发布时间 : 星期日 文章一步水热法合成的金属有机骨架材料在太阳能电池中的应用 文献综述更新完毕开始阅读7d11422c900ef12d2af90242a8956bec0875a537
一步水热法合成的金属有机骨架材料在太阳能
电池中的应用
文献综述
1.1太阳能电池的研究背景及其发展
可用能源的缺少已变为如今社会遇到的重点问题。千百年来，大量的人类再生能源的利用，近300年的机械生产，造成工业大爆发让我们突飞猛进的能源需求在持续的增长，以及可再生的化石燃料将发挥重要作用。。当今世界人口急剧增加，能源需求量也随之增大，特别是上个世纪70年代石油危机[4]发生之后，太阳能的利用得到了进一步的发展。太阳能是一种可再生能源，有着其它能源所不能相比的优点：
1)相比于化石燃料[5]，太阳能可以供人类无限制的使用，也不用担心它的枯竭。据统计，全世界每年消耗的能源仅相当于太阳光照射地球45分钟产生的能量[6]，且不会破坏生态平衡。
2)和核能的相比较下，太阳能安全,无污染。
3)和水能、风能相比较下，太阳能在使用上更加容易，地理因素对它的局限性不大，而且在费用上的消耗也不大。
到现在为止我们对太阳能的使用形式有很多，分别为太阳光与热的转化，还有与化学和电之间的转变。在这些里光电转换在太阳能中的使用时最显著的。它的发展特别迅速，而且特别的有生气，因此在其中是相当耀眼的项目之一。它有利于环保、不需要燃料输送、使用范围广阔。新世纪开始，全球太阳能光伏发电受到了特别大的重视。在生活上的使用越来越壮大。在未来几年里光伏发电必定会在能源使用上给人类社会带来相当大的变化。因为这很多的原因，科学家走上了研发太阳能的道路。由于需要的材料不一样，太阳能电池被分为很多种。
到现在为止太阳能电池可分为如下的种类：
1. 硅系太阳能电池，它又分为单晶硅太阳能电池[7]、多晶硅薄膜[8]太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池。
表1.1 硅系太阳能电池的优缺点对比
Table 1-1 A comparison of advantages and disadvantages of silicon solar cell
太阳电池类型 单晶硅太阳能电池
优势
光电转化效率最高，应用广泛 效率高，且无效率衰退问题，使
多晶硅薄膜太阳电池
非晶硅太阳电池
用的硅和成本均低于单晶硅太阳能电池
效率较高，成本较低，重量轻
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缺点
价格昂贵，工艺繁琐
效率不稳定，随光照时间增加而下降
2.多元化合物薄膜太阳能电池，它又分为砷化镓[9]Ⅱ-Ⅴ族化合物、硫化镉[10]、碲化镉及铜铟硒薄膜电池等。该类电池的光电转化效率比非晶硅薄膜太阳能电池要突出，制作费用要低于单晶硅电池，而且适合大批量制作。不过它的缺点也不容忽视，其中镉是有很大毒性的。因此它不适合做为晶体硅太阳能电池的替代品。
3.聚合物多层修饰电极型太阳能电池。在太阳能电池制备中，产生了一个全新的目标就是用聚合物取代无机材料。这种电池的优点有很多，例如柔性好，原料采备方便，工艺简单，费用不高。它的可使用时间比较低，电池效率不太高，与硅类相比有待改善。
4.染料敏化[11]太阳能电池。它是瑞士Gr?tzel教授在上个世纪九十年代初研究出来的。此类电池拥有较高的理论转换效率，较低的制备费用，和简单的工程制造方法等，并且其实验检测到的光电效率已超过10％。但它使用的液体电解质不太方便，而且对环境有些影响。至此对它的研究还处于初期阶段，然而该电池被称为应用前景最大的太阳能电池。
1.2钙钛矿太阳能电池的发展
1999 年世界上科学家研究科技成果出现了Organic metal halide perovskite CH3NH3PbX3材料,其中的典型晶体结构以碘离子为例如图：
图1.1CH3NH3PbI3立方晶体结构示意图
Fig.1.1 Schematic diagram of CH3NH3PbI3 cubic crystal structure
这一新的发现，给新型材料的拓展带来了新的希望，尤其是在Diode和Transistor领域实用性特别的好，因为它对光电感应特别的好。7年之后,科学家对其更深入的研究发现， Kojim在ECS 会议公布了最新的研究成果：将有机/无机复合钙钛矿[12]用在了太阳能电池的吸光层, 从而发现了其光伏感应效果这一改良后的钙钛矿材料的对光的吸收利用率比普通染料对光的吸收利用率强的多，几乎合成的薄膜可以吸收对应光谱的全部能量。2009年, 科学团队又在 JACS上发表了基于 I3/I的钙钛矿敏化电池,这一次，改良以后的电池光电转化效率达到了3.8%。2011 年, Park 团队改进了生产工艺，将钙钛矿敏化电池的效率增加到了6.5%。但出现了新的特别严重的问题：钙钛矿材料 CH3NH3PbX3(X 代表卤素)会被用于空穴传输的 I/I3解离消耗, 电池在很短的时间内过期失效。因此需要探索研究所能替代I/I3电解液的廉价且合适的Solid hole transport materials。 1998 年, Gr?tzel[13] 研究团队研
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究的新材料：固态染料敏化电池的有机空穴传输材料——Spiro-OMeTAD,化学结构如图所示：
图1.2固态染料敏化电池的有机空穴传输材料化学结构 Fig.1.2 OHTMs chemical structure of solid state DSSC
恰恰解决了这个典型的问题。利用这种材料重新组装改进后,钙钛矿电池稳定性和循环利用性能改善相当明显,光电转化效率增加到了15% 左右,原因就在于：Spiro-OMeTAD 能够与Perovskite很好的结合, 解决了原电解液解离消耗吸收层材料的问题. Spiro-OMeTAD 在Perovskite太阳能电池的使用，有效的改善了光电转换效率低的这一问题。Gr?tzel 研究团队分析并且尝试制备了一个薄膜晶体管[14], 对其做了多种导电性能的试验, 实验结果显示它对电子和空穴二者有着优良的传导本领。以上尝试实验结果是以Perovskite为沟通材料做成的结果。 Stranks 研究小组与 Xing 等，试验了钙钛矿中电子空穴的扩散长度,研究结果表明： 掺Cl的Methylamine iodic acid lead电子空穴的扩散长度已超过了1 m,而Methylamine iodic acid lead的电子空穴扩散长度只有 100 nm。因为钙钛矿的此类特点, Snaith 研究团队用气相蒸发法合成了Perovskite平面异质结电池。改变了纳米结构的研究模式,研发出来转化率达15.4%的器件。电子收集能力在Perovskite中的扩散要比在TiO2中快很多；然而，得到理想的开路电压, 是因为Perovskite比 TiO2中更少的表面态和中心带劣点。CH3-NH3PbI3可以利用自身的性质对载流子[15]进行传输, 使其直接扩散到导电电极, TiO2只发挥了其可用作支架的特点。2013年 , Gr?tzel 研究团队[16]发表了文章是关于利用序列沉积的方法制作钙钛矿电池,获得了效率达15%的Organic metal halide perovskite太阳能电池。之后，一系列的研究成果随之报道出来。目前，各个研究团体都在尽力研究改进这种新型电池的性能，以尽快投入真正的使用当中，相信很快，这种具有潜在优势的绿色能源将会给社会带来新的希望，产生新的变革。
1.3金属有机骨架材料
金属有机骨架(Metal–Organic Frameworks）MOFs材料是这几年来刚刚起步的一种新型材料。它是通过含氧、氮等的有机配体和过渡金属离子自组装而成的配位聚合物。由此形成的MOFs材料大部分拥有较高的孔隙率和更加优质的化学稳定性。因为MOFs材料可以调节孔的构造同时有较大的比表面积的优点，而且其应用相当广泛，因此该材料与其它的多孔材料相比展现了十分诱人的发展光景。
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