鈣鈦礦太陽能電池的研究進展

謝中亮

摘 要：人們對太陽能這一新型能源認識的不斷加深，促使以太陽能作為主要能源的各類產品得以廣泛應用和發展，其中，鈣鈦礦太陽能電池則是人們對太陽能這一新型能源不斷研究的產物。為了進一步提高人們對鈣鈦礦太陽能的認識，文章通過對鈣鈦礦太陽能中的鈣鈦礦材料進行闡述，進而對鈣鈦礦太陽能電池中作為重要的部分，即光吸收層的制備方法和鈣鈦礦太陽能電池的結構方面的研究作出了系統的說明和分析。

關鍵詞：鈣鈦礦；光吸收層；太陽能電池

前言

長期以來，低成本且高轉化率的光伏器件一直是光伏器件領域研究的重要方向，自2009年鈣鈦礦太陽能電池產生后，鈣鈦礦太陽能電池得到了國際學術界的高度認可和重視。作為一種新型的太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池無論在其吸光材料還是內部結構方面均具有良好的優勢。基于此，加強對鈣鈦礦太陽能電池光吸收層以及器件結構的研究，無疑成為了理論界和學術界需要共同開展的關鍵工作。

1 鈣鈦礦材料概述

對鈣鈦礦太陽能電池的光吸收層進行分析可知，其實質上是一種有機—無機的雜化材料，其化學式為CH3NH3PbX3，此材料的晶胞結構為典型的鈣鈦礦晶體結構，其中，PbX6形成八面體，且相互接觸溝通構成具有三維結構的框架，而CH3NH3+則被嵌入其內。由于鈣鈦礦太陽能電池的光吸收層具有電致發光與光致發光的特性，不僅具有直接帶隙和較高的光吸收系數，而且還具有良好的截流子輸運性能和較高的缺陷容忍度。還需說明的是，鈣鈦礦光吸收層的禁帶寬度同AM1.5光照下的最佳帶隙值，即1.4eV極為接近，但卻比Br和Cl的含I（碘）的鈣鈦礦材料在水蒸氣條件中更易分解，故在制備過程中可借助Br和Cl元素取代部分CH3NH3PbX3能夠提高其抗分解的能力[1]。

2 鈣鈦礦太陽能電池光吸收層制備方法

就現階段而言，鈣鈦礦太陽能電池的高質量光吸收層的制備方法主要以溶液法和共蒸發法為主。

2.1 基于單步法與兩步法的溶液法

溶液法主要包括了單步法和兩步法兩種。其中，單步法通常以一定的化學計量比將CH3NH3X以及PbX2共同溶解在溶劑（N-二甲基甲酰胺）當中從而構成前驅體溶液，而后，將此前驅體溶液直接旋涂在TiO2上，并將其置于100℃的N2手套箱內進行干燥。在整個干燥過程中，前驅體溶液中的發生CH3NH3X與PbX2化學反應，從而生成CH3NH3XPbX3，且干燥后溶液的顏色變深，繼續干燥獲得鈣鈦礦吸收層。單步法雖然較為簡單且操作方便，但基于此種方法所制備的鈣鈦礦薄膜形貌變化較大，對其性能難以進行有效控制，而基于兩步法的溶液法則能夠有效解決這一問題。將具有較高濃度的PbI2的N-二甲基甲酰胺溶液在70℃的環境中旋涂在TiO2上并進行干燥，一段時間后在溶有CH3NH3I的2-丙醇溶液中將TiO2與PbI2的復合層予以浸漬，此時，CH3NH3I則會與PbI2發生晶化反應，生成CH3NH3XPbI3，在對其繼續干燥后便可得到鈣鈦礦太陽能電池的鈣鈦礦吸收層[2]。

2.2 共蒸發法

自2013年共蒸發法應用到CH3NH3XPbI3-xClx吸收層制備以來，基于共蒸發法的真空蒸鍍法已被廣泛應用于薄膜太陽能電池與晶硅太陽能電池的制備當中。通過在10-3Pa的本底真空中將PbCl2與CH3NH3XPbI共鍍于表面沉積了FTO以及TiO2的導電玻璃上，從而促使PbCl2與CH3NH3XPbI產生反應進而生成CH3NH3XPbI3-xClx。而后，將此導電玻璃置于100℃的N2手套箱當中進行退火，使材料得以完全晶化[3]。對共蒸發法進行分析可知，以此種方法所制備的鈣鈦礦材料雜質缺陷較少且材料結構緊密，表面較為均勻，但需要說明的是，此種方法對鈣鈦礦材料的制備是以高真空為前提條件的，這不僅對各類設備提出了較高的要求，而且制備過程中還需消耗較大的能量。因此，只有在對鈣鈦礦太陽能電池各方面性能要求較高時，此方法在經濟和效果方面較為適用。

3 鈣鈦礦太陽能電池結構

3.1 介觀結構

CH3NH3XPbX3最初是作為一種新型染料而被應用在染料敏化太陽能電池當中，器件結構與典型的染料敏化太陽能電池類似，介觀尺寸的金屬氧化物框架中附有CH3NH3XPbX3燃料，而作為經典的框架材料當屬TiO2，在500℃下進行燒結從而提高結構的穩固性，以支持太陽能電池的使用。對典型的CH3NH3XPbX3結構進行分析可知，其納米晶附著在具有介觀尺寸的n型TiO2中，在TiO2上是p型的HTM，當入射光從下方玻璃射入時，超過CH3NH3XPbX3禁帶寬度能量的光子則被材料吸收，并生成激子，并在材料的內部與界面處分離生成價帶空穴以及相應的導帶電子，進而迅速注入電子傳輸材料與價帶空穴當中，并被FTO與金屬電極予以收集[4]。當接上負載時，材料便開始對外做功。此種結構在避免了電子-價帶空穴復合的同時，也提供了收集電子所需的擴散長度，有效提高了電池的吸光性能。

3.2 平面異質結構

近年來，隨著人們對太陽能這一新興能源認識和研究的不斷加深，鈣鈦礦太陽能電池中，鈣鈦礦材料的電學性能，特別是載流子運輸性能得以大幅提升，由此，鈣鈦礦太陽能電池的平面異質結構應運而生。鈣鈦礦材料中的激子大都以Mott型為主，能夠在結構界面和內部同時分離，因此，可將鈣鈦礦材料分別置于p型材料和n型材料當中，或直接與p型材料進行接觸，從而提高對截流子收集的效率。對于高質量的TiO2而言，其電子傳輸層需經450°以上的高溫處理方能夠應用到電池的制備當中，對點吃的柔性化具有較大影響，且傳統的TAD制備工藝較為復雜、成本較高。因此，為了提高鈣鈦礦電池的柔性并降低研制成本，有機傳輸與無機傳輸材料被引入到鈣鈦礦太陽能電池結構中。例如，基于聚3，4-亞乙二氧基噻吩（PEDOTPPS）和[6，6]-苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）的價帶空穴和電子傳輸材料而制成的鈣鈦礦太陽能電池的光電轉化率高達12%，而基于玻璃和聚酰亞胺（PET）等良好柔性材料的鈣鈦礦太陽能電池光電轉化率也分別達到了11.5%和9.3%。

4 結束語

文章通過對鈣鈦礦材料的化學式與相關性能進行分析，進而對溶液法和共蒸發法兩種鈣鈦礦太陽能電池光吸收層的制備方法展開了論述和研究，在此基礎上，分別對鈣鈦礦太陽能電池的介觀結構與平面異質結構予以探究。研究結果表明，鈣鈦礦太陽能電池不僅具有良好的吸光性能，而且還能夠以不同的結構提升其光電轉化率?？梢?，未來加強對鈣鈦礦太陽能電池的研究和應用力度，無疑對于促進光伏器件領域的發展和提高太陽能這一新型能源的利用范圍具有重要的現實意義。

參考文獻

[1]關麗，李明軍，李旭，等.有機金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池的研究進展[J].科學通報，2015，7（12）：581-592.

[2]丁雄 ，倪露，馬圣博，等.鈣鈦礦太陽能電池中電子傳輸材料的研究進展[J].物理學報，2015，3（20）：105-115.

[3]張太陽，趙一新.鉛鹵鈣鈦礦敏化型太陽能電池的研究進展[J].化學學報，2015，3（6）：202-210.

[4]鄧林龍，謝素原，黃榮彬，等.鈣鈦礦太陽能電池材料和器件的研究進展[J].廈門大學學報（自然科學版），2015，5（20）：619-629.