钙钛矿太阳能电池中电子传输材料的研究进展冰.PDFVIP

物 理 学报 ActaPhys．Sin．Vo1．64，No．3(2015) 038802 专题：新型太PRNP_．电池专题 钙钛矿太阳能电池中电子传输材料的研究进展冰 丁雄傈 ) 倪露2) 马圣博 ) 马英壮 ) 肖立新 ) 陈志坚 )十 1)(北京大学物理学院，人工微结构和介观物理国家重点实验室，北京 100871) 2)(烟台开发区高级中学，烟台 264006) (2014年1O月21日收到；2014年l1月18日收到修改稿) 有机一无机杂化的卤素钙钛矿材料在2009年首次应用在光伏器件 中，而后有关此类型太阳能电池的报道 数量呈井喷式增长．至2014年5月钙钛矿电池光电转化效率已接近20％，己超过有机及染料敏化太阳能电池 的效率，且有望达到单晶硅太阳能的水平，成为光伏发电领域中的希望之星．在钙钛矿电池中，电子传输材料 与吸收层的电子选择性接触对提高光电转化效率起到重要作用，尤其在正置结构器件 中，电子传输层的介观 结构直接影响钙钛矿的生长情况．同时，电子传输层的化学性质及其界面也会对电池的稳定性和寿命产生影 响．本文总结了电子传输材料在该类 电池中的研究现状和热点，并按材料的化学组分不同，将电子传输材料 分为三类：金属氧化物、有机小分子和复合材料，详细地介绍了电子传输材料在钙钛矿太阳能电池中的作用和 近来的必威体育精装版进展． 关键词：钙钛矿太阳能电池，电子传输材料，电子选择性接触 PACS：88．40．H一．73．23．一b DOI：10．7498／aps．64．038802 性、使用寿命、重金属元素铅的替代和大面积柔性 1 引 言 器件的制备等方面的研究． 在 固态 钙钛矿 太 阳能电池 中最 典型 的吸 面对化石能源 的 日渐枯竭 以及其在使用 中对 收层是有机 金属三 卤化物ABX3(A：CH3NH+ 环境的污染，新型能源开发为人类文明可持续发 CH3CH2NH+或HN=CHNH+ 等： B：Pb+或 展提供重要保障，太阳能光伏是其 中最具有前景 sn2+；x：I， Br或C1)，其 晶体结构如 图1所示， 的方案．如何提高太阳能电池 的光 电转化效率 其 中B与X形成正八面体对称结构，B位于八面体 来降低光伏发 电成本，是 目前光伏领域的核心研 的中心，形成BX6的立方对称结构，A则分布在八 究课题．有机无机杂化的卤素钙钛矿材料在 2009 面体组成的中心形成立方体，从而形成三维的周期 年首次被用于太阳能电池中，当时其光电转化效 性结构 [9]．钙钛矿的三维结构严格取决于三种离子 率只有3．8％[1】_2011年后人们对该 电池的研究取 的半径，稳定的钙钛矿结构的容限因子ftolerance 得一系列突破 [2j引，其光 电转化效率于2013年超 factor)t(其中t= (RA+nx)／[2／(RB+Rx)】，R 过 15％4【，引，在2014年5月 已经实现 19．3％[6J．短短 为对应 的离子半径)应该在 (0．78—1．05)的范 围 两年 内，钙钛矿太阳能电池的效率先后超越有机 内，随着t值的偏离，会导致 晶体的立方结构转变 太阳能电池 (11％)和染料敏化 电池 (13％)7【_，有望 为三斜 晶系．CH3NH3PbX3是直接带隙半导体 可达到单晶硅太阳能电池 f25．6％，松下公司 日本 CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3的禁带宽度分别 2014．4．11)的水平 [8】．随着钙钛矿太阳能电池效率 约1．5eV和2．3eV[0,ii]，当入射光的能量大于其 纪录不断被刷新，人们开始更加关注该 电池的稳定