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        新型結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池

        2016-11-24 17:06:05朱彤珺云天英
        山東工業(yè)技術(shù) 2016年21期
        關(guān)鍵詞:鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料

        朱彤珺++云天英

        摘 要:當(dāng)前,以鈣鈦礦材料為基礎(chǔ)的太陽能電池成為一種新型的太陽能電池,并逐漸被人們關(guān)注。本文就鈣鈦礦太陽能電池的幾種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,了解他們的結(jié)構(gòu)性能以及優(yōu)勢不足等。

        關(guān)鍵詞:鈣鈦礦;材料;結(jié)構(gòu);太陽能電池器件

        DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.056

        鈣鈦礦太陽能電池是一種新型的太陽能電池,該電池以染料敏化太陽能電池作為基礎(chǔ)和前提,這種新型的太陽能電池是在2009年,由Kojima等人提出的,依舊使用與染料敏化太陽能電池的相同的器件結(jié)構(gòu),不同的是使用CH3NH3PbI3或 CH3NH3PbBr3代替染料敏化電池中的有機染料。與傳統(tǒng)的染料敏化太陽能電池相比較,取得了更好的器件性能和更高的光電轉(zhuǎn)化效率。當(dāng)前這種以鹵化甲胺鉛為材料的太陽能電池有著很好的應(yīng)用前景,因此成為研究關(guān)注的重點。

        1 介孔結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池

        這種太陽能電池以光陽極、光吸收材料、空穴傳輸材料以及對電極為主要部分。與染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)以及載流子的傳輸電方式都是相同的。該種類型的太陽能電池中的電解質(zhì)分為固液兩種形態(tài)。由于液態(tài)電解質(zhì)會對CH3NH3PbI3表現(xiàn)出很強的腐蝕性,且主要通過氧化還原反應(yīng)實現(xiàn)電荷的傳輸,傳輸效率并不高,因而制作出的太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率不高。

        為了使介孔結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池得性能得以優(yōu)化與改善,研究者進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)。對于光陽極,改變二氧化鈦表面的性質(zhì),使其能夠與鈣鈦礦的電子耦合,使得鈣鈦礦電池器件的光電轉(zhuǎn)化率提高到11.7%。以喹嗪啶為基礎(chǔ)的有機材料的出現(xiàn),使得固態(tài)太陽能電池空穴傳輸材料的有了更好的選擇。在光吸收材料方面,使用NH2CH==NH2PbI3作為光吸收層材料,使鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了7.5%[1]。

        介孔結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)不會隨意發(fā)生變化,比較穩(wěn)定,研究者可以通過研究染料敏化太陽能電池取得的一系列成果,對其進(jìn)行類似的分析和制備。這種太陽能電池缺點是器件內(nèi)部含有多孔的納米氧化物層,增加了器件制備難度,另外,電池內(nèi)部也容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷,因此光電轉(zhuǎn)化能力也會受到影響。

        2 介觀超結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)型鈣鈦礦太陽能電池

        為了減少能量的消耗,研究者制備出了介觀超結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)型鈣鈦礦太陽能電池,該種結(jié)構(gòu)的電池借助CH3NH3PbI材料本身傳輸光生電子,提高了太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率。盡管超結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池該結(jié)構(gòu)的太陽能電池與介孔結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)是相同的,但它們的電子傳輸機制卻是存在差異的。由于該結(jié)構(gòu)的電子沒有注入支撐層材料,能夠減少電子注入的損失,使光電轉(zhuǎn)換效率得到提升。在該結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池中,由于光在氧化物骨架材料上出現(xiàn)漫反射,使得入射光在器件內(nèi)部的光程變長,增加了光利用率,但是這種方式卻不能避免電池內(nèi)部界面上存在大量缺陷的問題,傳輸電子時,在界面被缺陷俘獲,從而降低器件的光電轉(zhuǎn)換效率。另外,鈣鈦礦材料自身不夠穩(wěn)定,以及材料電子傳輸水平低下也限制了該結(jié)構(gòu)器件的迅速發(fā)展。

        3 平面異質(zhì)結(jié)型鈣鈦礦太陽能電池

        平面異質(zhì)結(jié)型鈣鈦礦太陽能電池是由一層鈣鈦礦吸收層夾在電子傳輸層 和空穴傳輸層之間構(gòu)成的,不需要三維骨架材料進(jìn)行支撐的,該電池有著更加簡單的結(jié)構(gòu),制備也比較方便,因此受到很多人的關(guān)注。

        二維平面鈣鈦礦太陽能電池是由Lee提出的。Lee制備這種電池使用溶液一步法,該方法是將鈣鈦礦層制備成前驅(qū)液然后旋涂成膜,這種方法產(chǎn)生的鈣鈦礦薄膜均勻性不好,很難獲得高質(zhì)量、高覆蓋率的薄膜,因此使用一步溶液法制備的電池光電轉(zhuǎn)換效率不高。為提高薄膜質(zhì)量,Snaith等利用PbI2和CH3NH3I作為蒸鍍源,通過雙源共蒸法制備CH3NH3PbI3光吸收層,[2]使得薄膜不平整的問題得以解決,提高了光電轉(zhuǎn)換效率。此外,還有很多人通過各種形式提高平面鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

        相比于空間三維骨架的鈣鈦礦太陽能電池,平面異質(zhì)結(jié)型的結(jié)構(gòu)更加簡單,并且可以利用當(dāng)前已有的真空蒸鍍工藝和設(shè)備,就能夠制備性能良好的太陽能電池器件。另外,該結(jié)構(gòu)中由于界面較少,使得界面上的缺陷會大大減少,進(jìn)而可以改善器件性能。因此這種太陽能電池將有良好的發(fā)展前景。

        4 微觀異質(zhì)結(jié)太陽能電池

        為了降低鈣鈦礦太陽能電池的成本,Gratzel等在介孔結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上制備出了CH3NH3PbI3/TiO2 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的電池器件,將價格昂貴的空穴傳輸層直接去掉, 形成了一種無空穴傳輸層新型電池結(jié)構(gòu),據(jù)報道,該種器件獲得了5.5%的光電轉(zhuǎn)換效率。微觀異質(zhì)結(jié)太陽能電池與其結(jié)構(gòu)的太陽能電池的不同之處就是它內(nèi)部沒有空穴傳輸材料。

        為了使鈣鈦礦太陽能電池得成更低,Ku等使用更加廉價的絲網(wǎng)印刷工藝研制備出了一種新微觀異質(zhì)結(jié)太陽能電池,該電池不僅內(nèi)部不使用空穴傳輸材料,并且金、銀等對電極也被更加便宜的碳材料代替,進(jìn)一步降低了太陽能電池的制造成本。

        微觀異質(zhì)結(jié)太陽能電池在制備過程中需要制備很多微界面以形成異質(zhì)結(jié),該工藝過程使得電池器件制備變得復(fù)雜。另外,大量的微界面雖然增加器件對太陽光的吸收效率,但也會在器件中形成光生電子、空穴的復(fù)合中心。

        5 結(jié)束語

        鈣鈦礦太陽能電池,因為制備工藝比較簡單,成本低廉,從2009年這種材料被發(fā)現(xiàn)后就得到了極為廣泛的關(guān)注。只幾年時間,鈣鈦礦太陽能電池就從液態(tài)發(fā)展成為全固態(tài)形式,也從三維發(fā)展到了平面二維,光電轉(zhuǎn)換效率也比之前提升了5倍多。由此可見,鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展空間和前景是極好的。目前我國還是將主要的精力放在鈣鈦礦太陽能電池的光電 轉(zhuǎn)換效率提升上,對于其長期穩(wěn)定的發(fā)展研究還不多,如果要想鈣鈦礦太陽能電池實現(xiàn)商業(yè)化的發(fā)展就必須要解決這一問題。

        參考文獻(xiàn):

        [1]陳海軍,王寧,何泓材.基于鈣鈦礦材料的新型結(jié)構(gòu)太陽能電池器件[J].電子元件與材料,2014(11):24-28.

        [2]宋志浩,王世榮,肖殷,李祥高.新型空穴傳輸材料在鈣鈦礦太陽能電池中的研究進(jìn)展[J].物理學(xué)報,2015(03):9-25.

        [3]丁雄傑,倪露,馬圣博,馬英壯,肖立新,陳志堅.鈣鈦礦太陽能電池中電子傳輸材料的研究進(jìn)展[J].物理學(xué)報,2015(03):105-115.

        [4]鄧林龍,謝素原,黃榮彬,鄭蘭蓀.鈣鈦礦太陽能電池材料和器件的研究進(jìn)展[J].廈門大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015(05):619-629.

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