衡維新鈣鈦礦的研究進(jìn)展及問題

1、人類對低成本、高轉(zhuǎn)換效率光伏器件的探索從沒有止步。年能電池首次被提出人類對低成本、高轉(zhuǎn)換效率光伏器件的探索從沒有止步。年能電池首次被提出1。2012 年 8 月以后，人們對該電鈣鈦突破2-研究取得了一系列界對此高度重視。目前鈣鈦能電池已然光伏領(lǐng)域內(nèi)最重要的研究熱點(diǎn)之一1 對比了幾種薄能電池光電轉(zhuǎn)換效率近 20 年來相比于有機(jī)(OPV)敏化(DSSC)和非晶硅(a-礦能電池速度驚人。一開始，其電池的光電轉(zhuǎn)換效率（KRICT）將該效只年初，韓國化學(xué)技升到17.9%82014 5 月，加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)等9已經(jīng)將此效19.3%。這種發(fā)展速度是前所未有的，值得究者高度重視得益于材料優(yōu)異的光

2、電特性以及對相關(guān)研究領(lǐng)域成果的借鑒電池在短期內(nèi)便取得了19.3%的光電轉(zhuǎn)換效率。顯然終點(diǎn)，通過進(jìn)一吸收層質(zhì)量，匹配各層能級(jí)，降電池在短期內(nèi)便取得了19.3%的光電轉(zhuǎn)換效率。顯然終點(diǎn)，通過進(jìn)一吸收層質(zhì)量，匹配各層能級(jí)，降低傳輸?shù)却胧频镁?0%光電轉(zhuǎn)換效率的電池也將指日可待37若將鈦礦電池同傳統(tǒng)的 HIT（異質(zhì)結(jié)）或 CIGS（銅銦鎵硒）電池組層結(jié)構(gòu)，理論效率甚至能達(dá)到 29.6%38。然而，CH3NH3PbX3 和有材料分別對水蒸氣和氧氣十分敏感及測試一般需要在氮?dú)馐痔紫渲型瓿?9。這給電池的封裝帶來了諸結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦電池在紫外光誘導(dǎo)下存在嚴(yán)重的效率衰減40。下一步鈣鈦礦電池的研究重點(diǎn)應(yīng)是在提

3、高吸收層質(zhì)量的同時(shí)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)物質(zhì)鉛用錫替代41并且解決電池的封裝問題，可以嘗試大學(xué)的 Snaith 博士已經(jīng)創(chuàng)辦了一家名為Photovoltaics”的司，研究電池。相信，的未來，鈣鈦能電池也能同晶體能電池一樣走進(jìn)普通大眾的視野目的關(guān)鍵科學(xué)問題有以下幾方面(1)極高吸光能力的微觀機(jī)理這種新型鈣鈦礦吸光材料的最大優(yōu)是它的吸光系數(shù)很大, 吸光能力比傳10 倍以上, 到目前止其微觀機(jī)理都沒有定論(2)光生載流子的產(chǎn)生機(jī)理現(xiàn)有的理論解釋存在兩種機(jī)理的爭論激發(fā)電子-空穴對電荷)機(jī)理和激發(fā)激子機(jī)理搞清楚光生; 此外, 在有機(jī)子的產(chǎn)生機(jī)理將對大幅提高其轉(zhuǎn)換效能電池中是否存在內(nèi)建電場,以及內(nèi)建電場如鹵化物鈣

4、鈦如此低的能耗下驅(qū)動(dòng)載流子輸運(yùn)和分離也是一個(gè)尚待解.(3)高效能量轉(zhuǎn)換的機(jī)理: 在鈣鈦能電池中,Grtzel 等利用序沉積TiO2 納米骨架, 將有機(jī)金屬鹵化(3)高效能量轉(zhuǎn)換的機(jī)理: 在鈣鈦能電池中,Grtzel 等利用序沉積TiO2 納米骨架, 將有機(jī)金屬鹵化物鈣收層夾在透明電極與空穴傳輸層之間整個(gè)器件由空穴輸運(yùn)所主導(dǎo)Snaith 等則利用包覆鈣鈦礦的納米介孔材料獲得了優(yōu)于 15%的轉(zhuǎn)換效率并且發(fā)現(xiàn)電子輸運(yùn)主導(dǎo)了整個(gè)轉(zhuǎn)換程; 因此, 需要深入研究其中的機(jī)理與制約效率進(jìn)一步提高的關(guān)鍵素(4)界面作用無論是利用溶液法還是相沉積技的鈣礦材料都是多晶材料其晶體結(jié)構(gòu)、形貌、粒徑尺寸都對界面載流的注入

5、和傳導(dǎo)影響; 在電子/空穴的輸運(yùn)過程中, 晶粒、晶所起的作用依然不清楚鈣鈦礦吸光層與電子傳輸層、空穴傳輸層間的界面對整個(gè)能量轉(zhuǎn)換的作用到目前也沒有太多的研究(5)電子/空穴的輸運(yùn)通道與機(jī)理在鈣鈦礦超導(dǎo)材料中銅氧面在珀對輸運(yùn)過程中是非常重要的;那么在有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦能材料中, 是否也存在類似的輸運(yùn)通道? 其具體的輸運(yùn)機(jī)理是什么?關(guān)的內(nèi)容需要更深入的研究無鉛鈣鈦礦材料現(xiàn)在的有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦材料含有元素, 在國際許多地方已被列使用的材料, 如何通過金屬元替代的方法找到同等或更高轉(zhuǎn)換效率的無鉛鈣鈦礦吸收材料依然.一(7)氧化物鈣能材料除了有機(jī)/無機(jī)復(fù)合鈣鈦礦材料以外具備高吸光性能的氧化物鈣鈦礦材

6、料也引起了大量的關(guān)注必須研究一些能帶合適、吸光能力強(qiáng)的無機(jī)氧化物鈣鈦礦材料在高效能量轉(zhuǎn)換方面的潛能(8)具有梯度能帶的鈣鈦礦吸光材料必須研究一些能帶合適、吸光能力強(qiáng)的無機(jī)氧化物鈣鈦礦材料在高效能量轉(zhuǎn)換方面的潛能(8)具有梯度能帶的鈣鈦礦吸光材料如果能夠通過元素替代的方法出具有梯度能帶的新型鈣鈦礦吸光材料, 就可類似于半導(dǎo)體多能電池器件(目前最高效率已經(jīng)超40%),其轉(zhuǎn)換效率低的生產(chǎn)成本大(9)新的電子/空穴傳導(dǎo)材料現(xiàn)在使用的與有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦光層相匹配的是有機(jī)空穴傳輸材Spiro-必須尋找更加效、穩(wěn)定且廉價(jià)的電子/空穴傳輸材料來提高鈣鈦能電池?fù)Q效率(10)進(jìn)一步提高器件穩(wěn)定性:盡管等人發(fā)現(xiàn)

7、有機(jī)金屬能電池在全日光輻照下連續(xù)使用500 小時(shí)后依然化物鈣持 80%以上的轉(zhuǎn)換效率, 是迄今為止能電池中最穩(wěn)定的, 尚需大幅改進(jìn)才能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用(11)大面: 迄今為止, Snaith 等的高轉(zhuǎn)換效率的有機(jī)(約 0.3 cm2), 屬鹵化物鈣鈦能電池都局限于小面積放大會(huì)導(dǎo)致器件的轉(zhuǎn)換效率急劇下降(填充因子急劇變小12)極限轉(zhuǎn)換效率人們最關(guān)心的是這種全固態(tài)鈣鈦能電池極限轉(zhuǎn)換效率到底是多少它能否達(dá)到單結(jié)能電池的Schockley-Quisser 理論極限, 以及通過元素替代出具有梯度帶的疊層結(jié)構(gòu)能否以較低成本獲得像半導(dǎo)體多結(jié)能電aAs)器件那樣高40%的轉(zhuǎn)換效率參考文1AKIHIROK,KEN

8、JIROTESHIMA,YASUOS,ethalideperovskitesasvisible-sitizersforphotovoltaiccellsJ.參考文1AKIHIROK,KENJIROTESHIMA,YASUOS,ethalideperovskitesasvisible-sitizersforphotovoltaiccellsJ.AmChemSoc,2009,17(131):6050-2 IM J H, LEE C R, LEE J W, et al. 6.5% efficient quantum-sitizedsolarcellJ.Nanoscale,2011,3(10):408

9、8-3KIMHS,LEECR,IMJH,etal.Leadiodideperovskiteall-solid-esubmicronthinfilmmesoscopicsolarcellwithexceeding9%J.SciRep,2012,2:4LEEMM,TEUSCHERJ,MIYASAKAT,etal.Efficienthybridcellsbasedonmeso-anometalhalideperovskitesScience,2012,338(6107):643-5 BURSCHKAJ, PELLET N, MOON S J, et al. Sequential as a route

10、 to high-performance perovskite-sensitized solar cells Nature,2013,499(7458):316-heterojunction perovskite solar cells by vapour ition 2013, 501(7467):395-KELLY room-singtechniquesJ.NatPhotonics,2013,8(2):133-8 Research Cell Efficiency RecordsEB/OL.2014-04-9PerovskiteSolarCellsKeepOnSurgingEB/OL.201

11、4-05-37PARKNanometal9PerovskiteSolarCellsKeepOnSurgingEB/OL.2014-05-37PARKNanometalightabsorberstowarda emesoscopicsolarcellJ.JPhysLett,2013,4(15):2423-38SNAITHHJ.Perovskites:theemergenceofaneweraforlow-high-efficiencysolarcellsJ.JPhysChemLett,2013,4(21):3623-39NIU G, LIW, MENGF, et al. Studyon the stabilityoft-all-solid-e hybrid solar cells J. J Mater Chem A, 2014, 705-40 LEIJTENS T