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太阳能电池的应用
- 2017-06-26 -

有机金属卤化物钙钛矿构造太阳能电池是一种以全固态钙钛矿构造作为吸光资料的太阳能电池,其能隙约为1.5eV消光系数高,几百纳米厚的薄膜即可充沛吸收800 nm以下的太阳光, 在光电变换范畴具有主要的运用远景。钙钛矿太阳能电池凭仗杰出的吸光性和电荷传输速率,以及无穷的开发潜力, 被誉为“光伏范畴的新希望”。跟着电池功率纪录不断被改写, 更多关于钙钛矿电池的研讨成果不断涌现, 内容包括构造规划、作业机理、制备技术各个方面的优化。

有机金属卤化物钙钛矿的根本构造及电池构造

有机金属卤化物钙钛矿构造太阳能电池是一种以全固态钙钛矿构造作为吸光资料的太阳能电池。这种资料制备技术简略, 本钱较低.钙钛矿资料的构造通式为ABX3, 其间A为有机阳离子, B为金属离子, X为卤素基团。该构造中, 金属B原子坐落立方晶胞体心处, 卤素X原子坐落立方面子心, 有机阳离子A坐落立方体极点方位(图1)。比较于以共棱、共面方法衔接的构造, 钙钛矿构造更加安稳, 有利于缺点的分散搬迁.


图1 钙钛矿ABX3 构造示意图

在用于高效太阳能电池的钙钛矿构造中, A位一般为HC(NH2)2+(简称FA+)或许CH3NH3+(简称MA+)等有机阳离子, 其主要作用是在晶格中维持电荷平衡,但A离子的尺度巨细能够改动能隙的巨细。当A离子半径增大, 点阵扩大, 致使能隙相应变小, 吸收边发作红移, 然后取得更大的短路电流和16%左右的高电池变换功率。金属离子B一般为Pb离子, Pb具有杰出的安稳性, 但因为有毒性, 因而也常被Ge, Sn,Ti代替. 以Sn为例, Sn-X-Sn键角大于Pb, 能隙更窄,ASnX3表现出很高的开路电压和杰出的光电特性,电压丢失很小。但在同一族元素中, 原子序数越小, 元素安稳性越差. 为了处理安稳性疑问, 将Pb与Sn按必定份额联系, 下降Sn带来的不安稳性, 一起又取得较高的变换功率. 卤素基团X一般为碘、溴和氯. 其间带有碘基团的钙钛矿太阳能电池在力学功能上(如弹性、强度等)不如带有溴基团的电池。电子吸收光谱由Cl至I顺次拓展,能隙的红移也逐次增加. 这是因为跟着原子量的增加, 元素电负性变弱, 与金属离子B成键中的共价作用增强。 ABX3型的有机-无机卤化物在不一样温度下具有不一样的构造.

钙钛矿太阳能电池的根本构造一般为衬底资料/导电玻璃(镀有氧化物层的基片玻璃)/电子传输层(二氧化钛)/钙钛矿吸收层(空穴传输层)/金属阴极(图2).


图2 (网络版五颜六色)两种典型的钙钛矿太阳能电池的构造示意图.

(a) 介观构造钙钛矿太阳能电池;

(b) 平面异质构造造钙钛矿太阳能电池

入射光透过玻璃入射今后, 能量大于禁带宽度的光子被吸收, 发作激子, 随后激子在钙钛矿吸收层别离, 变为空穴和电子并别离写入传输资猜中. 其间空穴写入是从钙钛矿资料进入到空穴传输资猜中, 电子写入是从钙钛矿资料进入到电子传输资料(一般为二氧化钛薄膜)中。根据此, 钙钛矿有两类构造:介观构造和平面异质构造造. 介观构造钙钛矿太阳能电池是根据染料敏化太阳能电池(DSSCs)发展起来的, 和DSSCs的构造相似: 钙钛矿构造纳米晶附着在介孔构造的氧化物(如TiO2)骨架资料上, 空穴传输资料堆积在其外表, 三者共同作为空穴传输层(图2(a))。在这种构造中, 介孔氧化物(TiO2)既是骨架资料, 也能起到传输电子的作用。 平面异质构造造将钙钛矿构造资料别离出来, 夹在空穴传输资料和电子传输资猜中心(图2(b))。激子在夹芯的钙钛矿资猜中别离, 这种资料可一起传输空穴和电子。

钙钛矿构造资料的晶体学取向也会影响电池功率. Docampo等研讨发现, 当进步溶液的浸泡温度, 或许在CH3NH3I和PbCl2混合后进行后续热处理,得到的电池短路电流更大, 变换功率更高。而这个进程发作的改动即是钙钛矿构造的长轴方向趋向于与基底平行, 构成各向异性. 这种各向异性越显着, 电池功能越好, 因而研讨钙钛矿资料的晶体学取向也是取得优异功能的要点方向之一。

钙钛矿太阳能电池的发展方向

进步电池变换功率

变换功率是衡量太阳能电池功能最主要的目标,如今得到认证的最高电池变换功率现已到达20.1%(图3). 限制太阳能电池变换功率进步的瓶颈在于入射光的大多数能量被反射或许透射损耗掉, 而只要与吸光层资料能隙附近的光才干被吸收转化为电能. 因而, 进步电池变换功率的关键在于改进电池的能带构造. 除了上文中说到的经过调控钙钛矿资猜中的离子基团来调节能隙, 制备出不一样能隙的多结太阳能电池也是该范畴研讨的主要方向之一.


图3 美国国家可再生能源实验室(NREL)给出的各类太阳能电池变换功率数据(数据来历: http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_

chart.jpg)

除此之外, 削减电子和空穴在传输进程中的复合来进步传输速率, 也是进步变换功率的主要途径.

(ⅰ) 界面调控。 由钙钛矿电池作业机理能够看出, 钙钛矿太阳能电池变换功率的进步不只取决于光的吸收能力, 还取决于载流子在钙钛矿构造中的传输速率。

(ⅱ) 改进钙钛矿电池的制备技术。钙钛矿太阳能电池作为一种新式的薄膜太阳能电池, 其制备技术与别的薄膜电池相似, 例如旋转涂覆法(溶液旋涂法)、真空蒸镀法(气相法)等. 不管何种制备办法都以制备高纯度、缺点少、高覆盖率、细密的钙钛矿层薄膜与传输层薄膜为意图, 其本质在于改进不一样层构造之间的电学触摸, 下降缺点密度, 削减载流子在传输进程中的损耗, 然后完成高的电池变换功率。

(ⅲ) 新资料和新电池构造的测验。如今, 钙钛矿太阳能电池最常用的资料是用CH3NH3PbI3作为光吸收层, 用TiO2作为电子传输层, 用spiro-OMeTAD作为固态空穴传输层, 开端的变换功率到达了8.3%。 为了进一步进步太阳能电池的变换功率,突出钙钛矿资料的优势, 大家开端在太阳能电池的不一样构造上运用新资料, 或许规划新的电池构造, 希望得到打破。

整体来说,不管是新资料的运用, 还是新器材构造的改进,各种办法尽管都得到了较好的电池变换功率,但比较传统构造的钙钛矿太阳能电池来说仍然略低,不过从本钱、安稳性、环境友好等视点思考,都具有很高的研讨价值。

进步太阳能电池安稳性

有机金属卤化物钙钛矿资料在湿润环境和光照条件下安稳性较差,容易发作分化而构成电池功率下降乃至失效,因而除不断进步变换功率外,如今许多研讨也致力于进步太阳能电池的安稳性。 钙钛矿电池的安稳性遭到温度、湿度等多种环境要素的制约。 改进钙钛矿电池的安稳性有两种思路: 一种是进步钙钛矿资料自身的安稳性,另一种是寻觅适宜的传输层资料使电池与环境阻隔,抑制钙钛矿资料的分化。

在前一种办法中, Smith等人以一种二维混合钙钛矿资料(PEA)2(MA)2[Pb3I10] (PEA=C6H5(CH2)2NH3+, MA=CH3NH3+)作为吸收资料(构造如图4所示),该构造可经过旋涂堆积构成且无需高温退火. 和普通三维钙钛矿资料(MA)[PbI3]比较, 二维钙钛矿电池在室温湿润环境下放置46天而不导致功能的显着下降, 具有很好的安稳性. 但如今能够代替ABX3中各组分的原子/原子团的选择很有限, 有关研讨报导也比较少. 近年来更多的研讨会集在后者, 即寻觅适宜的传输层资料。



图4 (网络版五颜六色)钙钛矿资料的改进及安稳性进步.

(a) 两种晶体构造示意图, 其间A和B别离为三维资料(MA)[PbI3]和二维资料(PEA)2(MA)2[Pb3I10]的构造;

(b) 不一样薄膜在湿润环境下经过相一起间后XRD谱, 其间1, 2a, 2b别离为二维资料薄膜、旋涂质量较差的三维资料薄膜和旋涂质量较好的三维资料薄膜

在第二种办法中, 研讨者致力于寻觅十分好的空穴传输资料来进步钙钛矿太阳能电池的安稳性。 好的空穴传输资料能使激子具有更长的寿数和量子产率, 延伸电池的运用寿数。 钙钛矿电池中一般运用的空穴传输资料为p型掺杂的spiro-OMeTAD。经过改动空穴传输资料来进步资料安稳性的思路有两类:第一类是用别的资料来更换原有的空穴资料; 另一类是向该空穴资猜中参加增加剂或许更换原有的p型增加剂. 两类办法进步安稳性的作用如图5所示。


图5 (网络版五颜六色)改进钙钛矿太阳能电池安稳性的不一样办法.

(a) 运用四硫富瓦烯衍生物(TTF-1)和环二芴(spiro-OMeTAD)作为空穴传输资料的两种电池的安稳性比照;

(b) 增加PDPPDBTE电池与原资料电池的安稳性比照;

(c) 选用不一样的掺杂剂后电池的安稳性;

(d) 不一样XTHSI在3 个月后的电池功率改变(其间X代表金属元素(如Li, Co, Ir), THIS代表二(酰基三氟甲烷)酰亚胺))

在第二类办法中, p型增加剂的引入可进步载流子浓度, 进而削减串联电阻及界面处的电荷传输阻抗. 如今作用较理想的掺杂剂是LiTFSI(锂基二(酰基三氟甲烷)酰亚胺)。 但在含氧环境中, 氧气会耗费空穴传输层和TiO2外表的锂离子, 使光电流下降、电阻增加, 下降电池的安稳性, 因而寻觅十分好的增加剂不只能够起到进步功率的作用, 还能够进一步进步安稳性. 运用别的元从来更换金属Li是如今研讨的热门之一。

完成钙钛矿太阳能电池的环境友好化

因为含铅资料对环境的不友好性, 研讨者们在努力完成无铅化, 但相应会带来电池变换功率的下降. 最直接的办法是运用本家元素(如Sn)来代替Pb元素. 在MAXI3资猜中, CH3NH3SnI3的能隙仅为1.3 eV,远低于CH3NH3PbI3的1.55 eV, 能够使吸收光谱发作红移。 选用CsSnI3作为光吸收资料, 并参加SnF2作为增加剂也以削减缺点密度, 进步载流子浓度, 进而进步电池功率。这两种代替的吸收资料的吸收光谱发作显着红移, 能够吸收更宽波段的入射光。

从处理环境污染但又不献身电池变换功率的视点动身,Chen等人提出了另一种思路, 即收回轿车电池来供给铅源. 因为轿车电池中的铅源具有一样的资料特性(如晶体构造、形貌、吸光性和光致发电功能)和光电功能, 既供给了钙钛矿资料制备所需的铅源, 又处理了废旧含铅电池无法妥善处理的疑问, 因而具有必定的实践运用价值.

定论

钙钛矿太阳能电池也存在一些亟需打破的疑问。 首要, 大家大多专注于从不一样的视点改进资料和制备办法来进步电池的变换功率, 但一直没有建立起齐备的理论模型来解说电池变换功率进步的因素, 难以得到一个准确牢靠的变换功率的理论上限. 其次, 怎么统筹进步安稳性和变换功率是如今的一个难点。 钙钛矿太阳能电池对水蒸气和氧气十分灵敏,尽管如今现已呈现安稳性长达4个月的电池, 但功率仅有12%, 比较传统晶硅电池(寿数可达25年), 仍然有较大间隔。 再次,怎么完成钙钛矿太阳能电池的大面积连续制备也是如今面对的一个主要疑问。在实验室所制得的器材的尺度仅有几公分巨细,与满意产业化需求还有间隔。 终究, 怎么避免运用铅等对环境不友好的重金属一起统筹高的变换功率也是如今面对的严重挑战。 如今用别的元素更换铅一般要以下降电池功率为代价, 寻觅更合理的方法处理含铅带来的环境疑问, 使钙钛矿太阳能电池可收回、可再生, 对实践产业化相同主要.根据此,经过改进钙钛矿层与别的传导层间的界面功能, 寻觅更高效的电子/空穴传输资料, 电池变换功率仍有十分大的进步空间, 一起也能够使太阳能电池的安稳性得到改进。完成钙钛矿资料的无铅化, 也变成钙钛矿太阳能电池终究能否被大众承受、完成广泛运用的关键要素之一。