钙钛矿太阳能电池根本原理和制备方法2.1 根本原理钙钛矿太阳能电池作为一种新出现的太阳能电池,其电池结构目前主要有两 种,第一种是由染料敏化太阳能电池演化而来的“敏化〞结构,此结构与染料敏 化太阳能电池极为相似,具有高吸光性的钙钛矿材料作为光敏化剂,其层状结构 的每一层物质依次为透明导电玻璃、ZnO 或 TiO2致密层、钙钛矿敏化的多孔 TiO2 或 Al2O3层、空穴传输层〔HTMs〕、金属电极,结构图如图 2.1 左.第二种是平面 异质结薄膜结构,其层状结构每一层物质依次为透明导电玻璃、ZnO 或 TiO 致密 2层、钙钛矿层、空穴传输层〔HTMs〕、金属电极,结构图如图 2.1 右.这种结构 下钙钛矿既是光吸收层又是电子传输层和空穴传输层,其优良性能被充分利用. 由于作为空穴传输层〔HTMs〕的 Spiro-OMeTAD 材料制备起来相比照拟复杂和昂 贵,因而无空穴传输层〔HTMs〕的钙钛矿太阳能电池的研发也成为科研热点.图 2.1 〔a〕“敏化〞钙钛矿太阳能电池结构〔b〕平面异质结钙钛矿太阳能电池结构2.1.1 “敏化〞钙钛矿太阳能电池H.S.Kim 等科学家制作出了光电转化效率为 9.7%的敏化全固态钙钛矿太阳 能电池,作为光吸收层的钙钛矿 CH3NH3Pbi3的光吸收系数很高,较薄的钙钛矿敏 化的多孔 TiO 层可以吸收大量的光源,因而电池可以产生高达 17.6mA/cm2的短 2路电流密度.此后 Gratzel 等科学家优化了电池制备方法,在 TiO 光阳极外表上 2形成 CH3NH3PbI3纳米晶,此纳米晶具有高吸附性和该覆盖性.此方法使得太阳能 电池光电转换效率到达 15%,并且具有极高的稳定性,500 小时后光电转化效率 仍然到达一开始的 80%.一维的 TiO2纳米结构,包括纳米棒、纳米管、纳米线等,相比拟于由 TiO2 纳米颗粒组成的薄膜,其电子传输效率更高,电子寿命更长,晶界的电荷复合效 率更低.TiO2薄膜因其有利于电子传输,具有恰当的能级,在传统的敏化结构太 阳能电池中可以作为光阳极.其电荷转移示意图如图 2.2 左.而由于钙钛矿 CH3NH3Pbi3具有长的电子扩散长度,且具有双极性输运性质,光生电荷载流子可 以被钙钛矿有效的分别传输到两端电极,因而绝缘的 Al2O3 便可替代 TiO2.A12O3 仅作为钙钛矿CH3NH3PbI3 的支架,光生电子被限制在 CH3NH3Pbi3 内,只能在钙钛 矿内传输 .J.M.Ball 等科学家优化了八 12.3的厚度,使得钙钛矿太阳能电池的光 电转换效率最高到达 12.3%.其电荷转移示意图如图 2.2 右.2.1.2 平面异质结钙钛矿太阳能电池基...
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