有机无机杂化固态太阳能电池的研究进展.pdfVIP

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 64, No. 3 (2015) 038405 专题: 新型太阳能电池专题 有机无机杂化固态太阳能电池的研究进展 袁怀亮 李俊鹏 王鸣魁 ( 2014 年10 月20 日收到; 2014 年12 月2 日收到修改稿) 近年来, 由于钙钛矿材料优良的光学吸收和电荷传导特性, 有机无机杂化固态太阳能电池取得了突破性 的进展. 自2009 年首次报道了光电转换效率为3.8% 的钙钛矿太阳能电池以来, 该类电池的效率不断突破. 基于介孔薄膜的电池已取得了超过16.7% 的认证光电转换效率, 基于平板异质结结构电池光电转换效率达到 19.3%, 已接近传统硅基太阳能电池的光电转换效率. 本文将介绍有机无机杂化钙钛矿作为光电材料的光学 物理结构特性, 以及在固态太阳能电池中的应用. 基于固态钙钛矿太阳能电池结构上的差异, 分别介绍其在 多孔结构、平板异质结结构、柔性结构以及无空穴传导材料结构电池工作特性和各自优势, 以及影响电池特性 的主要影响因素, 特别是钙钛矿成膜控制等. 并阐述对钙钛矿电池的理解和进一步提高固态钙钛矿电池光电 转换效率需要关注的重点以及展望. 关键词: 钙钛矿, 太阳能电池, 光电转换效率 PACS: 84.60.Jt, 88.40.hj, 88.40.jp, 88.40.Hj DOI: 10.7498/aps.64.038405 介孔薄膜可有效解决这个难题. 自从1991 年以来, 1 引 言 DSSC 电池得到了深入研究, 电池类型也变化多样. 目前液态DSSC 电池的世界记录达到13.0%, 体系 太阳能是世界上最丰富的清洁能源, 其一年 使用了锌卟啉和有机染料共敏化结合钴氧化还原 辐射到地球表面的总量超过地球化石能源贮备总 67 电对 . 高效率DSSC 电池大多采用挥发性溶剂 量的百倍1 . 第一代硅基太阳能电池光电转化效 2 (如乙腈等). 溶剂蒸发是引起DSC 电池在工作环 率(PCE)超过20%, 占据市场95% 以上 . 但目前 境中效率降低的主要原因之一. 太阳能发电在能源应用总的比例小于4%, 发展空 这些问题促进人们寻求固态空穴传输材料 间巨大. 近年来, 以碲化铬和铜铟镓硒太阳能电 池为代表的第二代薄膜电池技术, 具有廉价、高效 (HTM). 通常固态HTM 导电率不高, 存在与电极 ( 20%) 的特点, 占有一定的市场比例(5%)35 . 界面相容性的问题, 因此研究进展缓慢. 1998 年瑞 自1991 年瑞士联邦理工大学Grätzel 教授首次报道 士联邦理工大学Grätzel 教授等应用基于螺旋环二 染料敏化太阳能电池(DSSC) 以来, 以DSSC 为代 芴类p 型有机半导体(spiro-OMeTAD, 图1 ), 报道 表的第三代太阳能电池因为电池结构明晰、制作工 了光电转换效率只有0.7% 的全固态电池工作(结 艺简单、原料来源丰富、可制作透明和颜色可调器 构如图1 所示)8 . 这种采用有机HTM 结合染料敏 件等特点为受到了广泛关注与研究.