有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的研究进展
陈超1，杨修春1,2，刘巍1
【摘 要】摘要：有机-无机杂化钙钛矿材料不仅具有较高的光吸收能力和载流子迁移率，同时具有双极性特征以及合成方法简单等优点，目前已成为最有发展前途的太阳能电池材料，其光电转化效率在7年内从3.8%迅速提升到20%以上，并有进一步提高的空间。简单介绍了钙钛矿材料的结构与性质，综述了钙钛矿太阳能电池的研究进展，指出了目前电池发展中亟需解决的问题及未来的发展方向。
【期刊名称】化工学报 【年(卷),期】2017(068)003 【总页数】10
【关键词】有机-无机杂化钙钛矿；太阳能；复合材料；介孔结构；平面异质结 【
文
献
来
源
】
https://www.zhangqiaokeyan.com/academic-journal-cn_ciesc-
journal_thesis/0201247183810.html
引 言
随着经济的快速发展和人口的持续增长，全球能源需求不断攀升。目前，超过80%的能源消耗来自于化石燃料，造成严重的环境污染和温室效应。更重要的是，化石燃料是不可再生能源，按照目前的储量和消耗速度，石油仅能再维持50年左右[1-4]。因此，亟待寻找一种新能源来替代传统化石燃料，以保障世界长期安全稳定的发展。
太阳能是一种清洁、丰富又可再生的能源，高效利用太阳能是解决能源危机和环境污染的重要手段之一。太阳能电池，是一种直接把太阳能转化为电能的装
置，因其稳定、安全的特点，在过去60年中，获得了长足的发展。目前市场上占主要地位的是硅基太阳能电池，如单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池3种，但其存在生产成本较高、生产过程耗能大、对环境污染较严重等问题。多元化合物薄膜太阳能电池，如碲化镉（CdTe）、砷化镓（GaAs）及铜铟硒（CuInSe2）薄膜太阳能电池由于存在有毒和稀有元素，其发展必然受到限制。染料敏化太阳能电池（DSSCs）和有机化合物太阳能电池的光电转换效率目前仍较低，DSSCs的光电转换效率最高为14%左右[5]，大面积电池模块效率为9.2%左右（17.19 cm2）[6]。染料的研究也一直没有停止，如Xie等[7-9]通过卟啉染料结构优化与共敏化策略，将染料敏化太阳能电池效率从母体结构的2.2%大幅提高至11.5%，取得基于碘电解质的非钌染料敏化电池的最高光电转换效率，但由于DSSCs自身的局限性，大幅提高其转换效率已比较困难。因此，研究开发高效率、低成本、环境友好的新型太阳能电池是太阳能电池发展的新趋势[10-11]。
近些年来以钙钛矿电池为代表的新型太阳能电池研究受到了广泛关注，其光电转换效率在7年中从3.8%迅速提升到20%以上[12-18]。不同于传统染料敏化太阳能电池，钙钛矿太阳能电池采用固态电解质，全固态的结构解决了液态电解质存在的易挥发、易泄漏、不易封装等问题，为其实际应用奠定了坚实的基础。2013年，Science杂志将其列为十大科技突破之一[17]。
1 有机无机杂化钙钛矿材料的组成、结构与典型性质
钙钛矿（perovskite）结构是一种ABX3晶型的结构，其中X多为卤素原子或氧原子，其名称perovskite来源于首次对这种结构进行表征的俄国矿物学家佩罗夫斯基（Lev Perovski）[19-21]。在有机- 无机杂化钙钛矿材料
CH3NH3PbX3中，X?（Cl, Br, I）位于面心，Pb2+位于体心，占据X?组成的八面体空隙，而CH3NH3+排列在晶格顶点[20]，其晶体结构如图1(a)、(c)所示。在这种有机卤化物钙钛矿结构中，卤素原子所形成的八面体之间共顶点连接，组成三维网络结构。这种结构有利于晶格缺陷的扩散和转移，即使产生大量缺陷，或者各组成离子的尺寸与几何学要求相差较大时，仍然能够保持结构稳定。同时，CH3NH3PbX3具有高的消光系数、双极性载流子输运特性、合适且可调的带隙宽度及较大的载流子扩散长度[22]。
CH3NH3PbX3的光电性质和它的晶体结构有很大关系。例如，当CH3NH3Pb(I1?xBrx)3（0≤x≤1）材料中x取值从0变到1时，其禁带宽度可从1.5 eV（1 eV=1.602176565×10-19 J）连续变到2.3 eV，如图1(b)所示。同时其结构由CH3NH3PbI3的四方相变为CH3NH3PbBr3的立方相[23-25]。通过调整参数x，可以使CH3NH3Pb(I1?xBrx)3的消光光谱几乎覆盖整个可见光谱，如图1(d)所示。由于CH3NH3PbBr3价带相对较低，可使电池的开路电压（Voc）超过1 V[26]。
2 有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的发展历程
有机-无机杂化钙钛矿电池光电转换效率如图2所示，从2009年首次报道的3.8%到如今的20.4%，用了不到7年时间，其发展极为迅速，受到了广大科研人员的关注。有机-无机杂化钙钛矿电池发展经历了液态电解质钙钛矿电池和全固态钙钛矿电池两个阶段，其中全固态钙钛矿太阳能电池具有开路电压大、光电转换效率高等优点，被认为是有可能商用的新型太阳能电池。 2.1 液态电解质钙钛矿电池
2009年，Kojima等[12]首次把CH3NH3PbX3作为敏化剂用于传统染料敏化
有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的研究进展
