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钙钛矿太阳电池综述钙钛矿太阳电池综述孙文（中南大学 冶金与环境学院 0507120407）摘要： 利用有机-无机杂化钙钛矿材料制备的太阳能电池具有能量转换效率高和成本低的优点，近年来发展极为迅速，获得了学术界的高度关注首先总结了钙钛矿材料的光电特性和然后介绍了钙钛矿太阳能电池的结构及其研究进展，最后指出了目前电池发展中亟需解决的问题以及进一步提高器件效率的途径关键词： 钙钛矿;晶体结构；电池结构；综述Overview of perovskite solar cellSun Wen（School of Metallurgical and Environment，Central South University，0507120407)Abstract Solar cells prepared using organic—inorganic hybrid perovskite materials exhibit advantages of high conversion efficiency and low cost， which show extremely rapid development in the recent years and gain great concern from academe。

After the optoelectric properties of perovskite materials are summarized,structures of the perovskite solar cells are then presented, and also the recent research progress. Finally, the urgent problems need to be resolved in the development process and approaches to further improve the device efficiency are pointed outKey words perovskite；crystal structure；cell structure；overview1. 前言 近年来，环境污染和能源短缺问题严重影响了社会与个人的发展开发更清洁的可再生能源是今后发展的方向太阳能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到大家的关注太阳能电池是一种利用光生伏特效应把光能转换成电能的器件MIT和斯坦福大学的研究人员试制出了由单晶硅太阳能电池和钙钛矿型太阳能电池层叠而成的串联结构的太阳能电池。

虽然转换效率还不够高,只有13.7％，但双方制定了转换效率达到29％的目标，最终还有可能超过35％ 近几年，钙钛矿型太阳能电池的性能显著提高，2014年有报告称转换效率达到了20由于材料费低，制造工艺也简单，因此将来有可能给太阳能电池市场带来巨大影响. 2钙钛矿太阳电池材料 钙钛矿是指CaTiO3，属于立方晶系的氧化物1839年，它在俄罗斯乌拉尔山脉被矿物学家Lev Perovski发现，后来人们他姓为其命名，所以现在钙钛矿英文为Perovski钙钛矿结构通式为ABO3，A位一般为碱土或稀土离子，rA〉0.090nmB位一般为过渡金属离子rB>0.051nm［1].在太阳电池中，典型的钙钛矿结构化合物为AMX3，A一般为甲氨基CH3NH3，CH3CH2NH3+和NH2CH=NH2+也有报道；B多为金属Pb原子，金属Sn也有少量报道;X为Cl、Br、I等卤素氮原子和混合原子其晶体结构如图1所示Pb2+占据八面体中心位置，占据八面体顶角位置I—，CH3NH3+占据面心立方晶格顶角位置这种共顶点结构较共棱、共面结构空隙更大，允许较大尺寸离子填入,即使产生大量晶体缺陷，或者组成离子尺寸与几何结构要求有较大出入是仍能保持结构稳定，且有利于缺陷的扩散迁移[2] 。

目前在高效钙钛矿型太阳电池中，最常见的钙钛矿材料是碘化铅甲胺 图1：典型的钙钛矿晶体结构[3]（CH3NH3PbI3)，它是直接带隙半导体材料，带隙约为155eV，对能量大于禁带宽度的光子表现出强烈的光吸收其吸收系数高，约为105,厚度为300nm左右的材料便能吸收几乎所有可见光由于低的复合速率，高的载流子迁移率(50cm2/(Vs)），电子和空穴在CH3NH3PbI3的扩散长度>100nm，这使得钙钛矿太阳电池性能优异[4］3. 钙钛矿太阳电池的结构和工作原理 钙钛矿太阳电池通常是由透明导电玻璃、致密层、钙钛矿吸收层、有机空穴传输层、金属背电极五部分组成，其电池结构如图2(a)所示[5]钙钛矿吸收层有两种结构，图2（b）所示的有骨架层结构和图2(c）所示的无骨架层结构 图2:钙钛矿太阳电池结构示意图钙钛矿太阳电池的工作原理如图3所示[5］ 图3：钙钛矿太阳电池原理示意图在接受太阳光照射时,钙钛矿层首先吸收光子产生电子-空穴对由于钙钛矿材料激子束缚能的差异，这些载流子或者成为自由载流子,或者形成激子接着将导带电子注入到TiO2的导带，再传输到FTO,同时，空穴传输至有机空穴传输层，实现电子—空穴对的分离。

最后,通过连接FTO和金属电极的电路而产生光电流当然，这些过程中总不免伴随着载流子的损失,如电子传输层的电子与钙钛矿层空穴的可逆复合、电子传输层的电子与空穴传输层的空穴的复合（钙钛矿层不致密的情况）、钙钛矿层的电子与空穴传输层的空穴的复合要提高电池的整体性能，这些载流子的损失应该降到最低.4. 钙钛矿太阳电池的研究进展 1998年，Grätzel组与合作者［6]合成了一种用于固态染料敏化电池的有机空穴传输材料—Spiro-OMeTAD,为后来解决原电解液分解吸收层材料的问题做出了重大贡献.1999年，Mitzi等[7］研究了CH3NH3PbI3材料的光电性质，并把它应用在晶体管、光电二极管上2006年，Kojima等[8]在ECS会议上第一次报道了利用有机/无机复合钙钛矿作为吸光层的太阳电池，发现这种钙钛矿材料的光吸收率是普通染料的10倍，但效率不高.为了解决稳定性问题，2012年，Kim等［9］将Spiro—OMeTAD作为空穴传输层,制备出第一块全固态钙钛矿太阳电池，效率达9.7％ 钙钛矿太阳电池自2013年开始迅猛发展，Grätzel 等人［10］首次采用两步沉积方法制备钙钛矿薄膜,电池效率达到15%。

随后Snaith 等采用共蒸发方法制备钙钛矿薄膜，形成了一种全新的平面异质结电池，效率达到154%，引起了全世界的瞩目同样是在2013年,Yang 等［11]采用溶液法和蒸发法相结合的方法制备钙钛矿薄膜, 所得电池效率为12.1％2014 年初， 韩国的KRICT 研究所已经将钙钛矿电池的转换效率提升到17到五月份，Yang等更是通过掺Y修饰TiO2层，将转换效率提升到19现在KRICT研究所已经制备出转换效率20.2％的钙钛矿太阳电池，并已经过认证,这种提升速度前所未有表一[2］总结了一些代表国际有机复合钙钛矿太阳电池研究的重要的里程碑式的工作5. 结论及展望相比其他的太阳电池材料,钙钛矿材料具有优异的性能和强大的竞争力,它具备以下几个方面的优点:带隙宽度合适，吸光系数高；有机物成本低；结构具有稳定性，通过掺杂等手段可以调节材料带隙，实现类量子点功能；优良的双极性载流子运输性质，其电子/空穴运输长度〉1μm,载流子寿命长等等但是钙钛矿太阳电池仍存在一些问题:(1) 稳定性：钙钛矿晶体在空气中不稳定，水和氧气会破坏钙钛矿晶体结构，长时间紫外光照射和高温也会使电池性能下降材料的制备和测试需要在氮气手套箱中完成[12］。

2) 安全性：含铅化合物的毒性对人体和环境都有很大损坏,电池如何封装和防止铅元素进入环境亟待解决3) 大面积均匀性：面积越大，钙钛矿吸光层均匀性越难保证，电池大面积制造存在困难.(4) 高质量CH3NH3PbI3的制备.（5）CH3NH3PbI3基本物理化学性质的研究.总的来说，钙钛矿光伏材料及电池的探索和开发是一个重要的课题，相信伴随着材料合成技术、薄膜制备技术和理论模型建立等方面的发展，钙钛矿太阳电池会为光伏领域开辟一个新纪元参考文献［1］LEE M M, TEUSCHER J， MIYASAKA T, et al. Efficient hybrid solar cells based on meso-superstructured organometal halide perovskites ［J]Science， 2012, 338(6107)： 643-647.［2]魏静，赵清,李恒钙钛矿太阳能电池光伏领域的新希望［J］中国科学，2014,44(8）:801—821.[3］Chen Z，Li H， Tang Y, et al. Shape-controlled synthesis of organolead halide perovskite nanocrystals and their tunable optical absorption.Mater Res Express， 2014， 1： 015034。

[4］姚鑫，丁艳丽,张晓丹.钙钛矿太阳电池综述［J]物理学报，2015,64(30):038805 [5]Liu M Z,Johnston M B,Snaith H J，et al.Efficient planar heterojunction perovskite solar cellsvapour deposition［J]Nature,2013，501：395—398［6]Bach U， Lupo D, Comte P, et al Solid-state dye—sensitized mesoporous TiO2 solar cells with high photon—to—electron conversion efficiencies[J］Nature， 1998, 395： 583–585.［7]Kagan C R, Mitzi D B，Dimitrakopoulos C D.Organic—inorganic hybrid materials as semiconducting channels in thin—film field—effect transistors。

Science, 1999, 286： 945–947.［8]Kojima A, Teshima K， Miyasaka T, et al. Novel Photoelectrochemical cell with mesoscopic electrodes sensitized by lead—halide compounds(2) Meeting Abstracts： The Electrochemical Society, 2006: 397–397［9]Kim H S, Lee C R， Im J H， et al Science，2012,2: 591.[10]Burschka J, Pellet N, Moon S J， et al Sequential deposition as a route to high-performance perovskite—sensitized solar cells. ［J]Natu。