介孔层材料在介孔型钙钛矿太阳能电池中的研究进展
发布时间：2020-12-18 09:34
近年来,钙钛矿太阳能电池发展迅猛,其光电转换效率已从刚开始的2.19%到如今的23.2%。介孔型钙钛矿太阳能电池具有更高的光电转换效率,而其中的介孔层起着关键作用。本文介绍了钙钛矿太阳能电池的工作机理,综述了各种介孔层材料的优缺点及其对钙钛矿太阳能电池的转换效率和迟滞效应的影响,并浅谈了其未来的发展趋势。
【文章来源】：材料科学与工程学报. 2020年05期 北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
钙钛矿太阳能电池的结构示意图（a）平面钙钛矿太阳能电池；（b）介孔型钙钛矿太阳能电池
MPSC最大的特点就是光阳极利用三维网状多孔结构进行光子捕获和电荷传递[9]，这种多孔结构不仅为钙钛矿吸光层的生长提供了一个多孔基底，有助于它形成平整连续的薄膜，而且大多数介孔（半导体）材料作为电子传输材料对钙钛矿层分离传输过来的电子进行输运。因此，高效的介孔层材料一般具有以下特征：（1）合适的能级。介孔材料的最低空轨道能级（LUMO）要低于钙钛矿的导带，以保证电子的有效传输，而最高电子占据能级（HOMO）要低于钙钛矿的价带，以阻挡空穴的传输，从而避免电荷复合，提高电池的效率和寿命。（2）适当的吸收范围。钙钛矿材料见紫外光易分解，选择能将紫外光转变成可见光的介孔层材料，不仅有利于提高电池稳定性，而且可以拓展光谱吸收范围。（3）较高的迁移率，以保证把钙钛矿层的电子快速传递到导电玻璃。（4）形成的薄膜具有良好的热稳定性和疏水性，以延缓钙钛矿的热解和水解，从而提高电池的稳定性。总之，介孔层材料种类繁多，选用优良的介孔层材料以改善PSC的性能极其重要。下面将详细讨论各种常用介孔层材料及其MPSC器件的研究进展。3.1 二氧化钛（TiO2)
再者，TiO2的低电子迁移率一直是限制其器件PCE的重要问题，PSC的迟滞现象也是限制其实际应用的关键因素。为此，Jin等[16]将Li掺入TiO2介孔层中，研究发现Li-TiO2在电子性质、迁移率和电导率等方面较纯TiO2器件均有所改善。从图3(a)[16]可见：相对于TiO2介孔层器件，以Li-TiO2为介孔层的器件不仅具有更高的PCE，而且迟滞现象要小得多。这可能是由于Li+夹层降低了m-TiO2的导带边缘，从而促进高效的电子注入和运输，减少了TiO2表面的电子陷阱和TiO2/perovskite界面的载流子复合。Sidhik等[17]则采用Co掺杂TiO2介孔层的方法，探究了掺杂浓度对器件性能的影响。研究发现，当掺杂物质摩尔百分比为0.3%时器件性能最佳。从图3(b)[17]可以看出，以Co-TiO2为介孔层的器件不仅效率高于纯TiO2器件，而且几乎没有迟滞现象。可能是由于Co3+替位了Ti 4+，钝化了由氧空位而造成的电子陷阱，从而减少电荷捕获，大大减弱滞后效应。近期，Jeon等[4]采用旋涂法将商用TiO2浆料稀释后旋涂于致密层之上，之后在大气环境下500℃退火1h，制得的m-TiO2作为介孔层，制备结构为FTO/c-TiO2/m-TiO2/（FAPbI3)0.95(MAPbBr3)0.05/DM/Au的混合型钙钛矿器件，获得23.2%的PCE，是目前最高PSC效率，这已能与很多薄膜类太阳能电池和硅基太阳能电池的效率媲美。
【参考文献】：
期刊论文
[1]稀土上转换发光在钙钛矿太阳能电池中的应用[J]. 张鹏飞,王小平,王丽军,张庆远,杨丽萍,马全善. 材料科学与工程学报. 2017(06)
[2]A hole-conductor-free,fully printable mesoscopic perovskite solar cell with high stability[J]. Science Foundation in China. 2014(02)
[3]有序多孔结构二氧化钛薄膜的制备和应用[J]. 赵莉南,王藜,胡晓斌,张荻. 材料科学与工程学报. 2011(06)
[4]氧化锌纳米材料的机械法制备及其光学性能研究[J]. 韩光强,王树林,陈星建,洪勇. 上海理工大学学报. 2008(06)
[5]纳米多孔SiO2-TiO2复合薄膜的制备及研究[J]. 曲典,姚兰芳,朱永安,岳春晓. 上海理工大学学报. 2006(02)
博士论文
[1]单基板全固态介观太阳能电池研究[D]. 徐觅.华中科技大学 2014
硕士论文
[1]二氧化锡基钙钛矿太阳能电池的制备及光电性能研究[D]. 周培.华侨大学 2016
本文编号：2923775
【文章来源】：材料科学与工程学报. 2020年05期 北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
钙钛矿太阳能电池的结构示意图（a）平面钙钛矿太阳能电池；（b）介孔型钙钛矿太阳能电池
MPSC最大的特点就是光阳极利用三维网状多孔结构进行光子捕获和电荷传递[9]，这种多孔结构不仅为钙钛矿吸光层的生长提供了一个多孔基底，有助于它形成平整连续的薄膜，而且大多数介孔（半导体）材料作为电子传输材料对钙钛矿层分离传输过来的电子进行输运。因此，高效的介孔层材料一般具有以下特征：（1）合适的能级。介孔材料的最低空轨道能级（LUMO）要低于钙钛矿的导带，以保证电子的有效传输，而最高电子占据能级（HOMO）要低于钙钛矿的价带，以阻挡空穴的传输，从而避免电荷复合，提高电池的效率和寿命。（2）适当的吸收范围。钙钛矿材料见紫外光易分解，选择能将紫外光转变成可见光的介孔层材料，不仅有利于提高电池稳定性，而且可以拓展光谱吸收范围。（3）较高的迁移率，以保证把钙钛矿层的电子快速传递到导电玻璃。（4）形成的薄膜具有良好的热稳定性和疏水性，以延缓钙钛矿的热解和水解，从而提高电池的稳定性。总之，介孔层材料种类繁多，选用优良的介孔层材料以改善PSC的性能极其重要。下面将详细讨论各种常用介孔层材料及其MPSC器件的研究进展。3.1 二氧化钛（TiO2)
再者，TiO2的低电子迁移率一直是限制其器件PCE的重要问题，PSC的迟滞现象也是限制其实际应用的关键因素。为此，Jin等[16]将Li掺入TiO2介孔层中，研究发现Li-TiO2在电子性质、迁移率和电导率等方面较纯TiO2器件均有所改善。从图3(a)[16]可见：相对于TiO2介孔层器件，以Li-TiO2为介孔层的器件不仅具有更高的PCE，而且迟滞现象要小得多。这可能是由于Li+夹层降低了m-TiO2的导带边缘，从而促进高效的电子注入和运输，减少了TiO2表面的电子陷阱和TiO2/perovskite界面的载流子复合。Sidhik等[17]则采用Co掺杂TiO2介孔层的方法，探究了掺杂浓度对器件性能的影响。研究发现，当掺杂物质摩尔百分比为0.3%时器件性能最佳。从图3(b)[17]可以看出，以Co-TiO2为介孔层的器件不仅效率高于纯TiO2器件，而且几乎没有迟滞现象。可能是由于Co3+替位了Ti 4+，钝化了由氧空位而造成的电子陷阱，从而减少电荷捕获，大大减弱滞后效应。近期，Jeon等[4]采用旋涂法将商用TiO2浆料稀释后旋涂于致密层之上，之后在大气环境下500℃退火1h，制得的m-TiO2作为介孔层，制备结构为FTO/c-TiO2/m-TiO2/（FAPbI3)0.95(MAPbBr3)0.05/DM/Au的混合型钙钛矿器件，获得23.2%的PCE，是目前最高PSC效率，这已能与很多薄膜类太阳能电池和硅基太阳能电池的效率媲美。
【参考文献】：
期刊论文
[1]稀土上转换发光在钙钛矿太阳能电池中的应用[J]. 张鹏飞,王小平,王丽军,张庆远,杨丽萍,马全善. 材料科学与工程学报. 2017(06)
[2]A hole-conductor-free,fully printable mesoscopic perovskite solar cell with high stability[J]. Science Foundation in China. 2014(02)
[3]有序多孔结构二氧化钛薄膜的制备和应用[J]. 赵莉南,王藜,胡晓斌,张荻. 材料科学与工程学报. 2011(06)
[4]氧化锌纳米材料的机械法制备及其光学性能研究[J]. 韩光强,王树林,陈星建,洪勇. 上海理工大学学报. 2008(06)
[5]纳米多孔SiO2-TiO2复合薄膜的制备及研究[J]. 曲典,姚兰芳,朱永安,岳春晓. 上海理工大学学报. 2006(02)
博士论文
[1]单基板全固态介观太阳能电池研究[D]. 徐觅.华中科技大学 2014
硕士论文
[1]二氧化锡基钙钛矿太阳能电池的制备及光电性能研究[D]. 周培.华侨大学 2016
本文编号：2923775
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