界面材料对有机无机杂化钙钛矿薄膜形貌的影响文献综述

 2023-11-16 11:51:13

文献综述

随着人类社会的不断发展,人们对能源的需求日需增长,而石油、天然气、煤矿等传统的能源资源却日趋短缺,寻找可替代的再生能源的任务被提上了日程。其中,太阳能作为一种永不枯竭的绿色清洁能源深受人们关注。

人们对太阳能的利用主要是光热转换和光电转换两种方式。其中太阳能电池用的是光电转换方式。自1837年光生伏特效应的发现至今,太阳能电池已经发展了一百多年的历史,目前已广泛应用于生活生产中。并且随着科技的不断发展,太阳能电池也将扮演着越来越重要的角色。到目前为止,太阳能的发展历程大致为:

  1. 第一代为晶硅太阳能电池,包括单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池,经过半个多世纪的不断发展,大大提高了器件的转换效率,同时制造成本也有所降低。

  2. 第二代为薄膜太阳能电池,包括化合物薄膜半导体电池和非晶硅薄膜电池。这类薄膜电池在高温下衰减很小,并且在弱光条件下仍然可以工作。这些特点优于晶硅太阳能电池,但是该类电池没有晶硅电池光电转换效率高,也不如晶硅电池稳定性好。

  3. 第三代为新型太阳能电池,是基于前两代电池的基础上,提出的高效率、低成本、寿命长和环境友好的太阳能电池。目前主要包括燃料敏化太阳能电池、有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池。其中,晶硅太阳能电池虽目前占据主要市场,光电转换效率也是电池中最高的,但其制备成本相对较高且对硅的纯度也要求极高,而其他的诸如铜铟镓硒等薄膜太阳能电池或是制备工艺复杂,或是原材料昂贵,要么就是转换效率太低,这些都促使我们去寻找一些制备工艺简单、原材料廉价的光伏材料,以开发出高效率、低成本的新型薄膜太阳能电池。有机无机杂化钙钛矿太阳能电池就是在这种情况下应运而生的。虽然其在初始阶段光电转换效率也不高,仅3.8%左右,但其发展速度是惊人的,在短短四年左右,其效率已由百分之几发展到半分之十几,目前已突破百分之二十的大关。故有机无机杂化钙钛矿太阳能电池引发了全世界研究者的兴趣,并且人们对其进一步发展也都给予极大期望。

    有机无机杂化钙钛矿太阳能电池由染料敏化太阳能电池演化而来。该类电池器件具有制备工艺简单,可溶液加工便于大规模生产且成本低廉等优点。且这种有机无机杂化钙钛矿材料本身也有十分优异的性质,如是直接带隙半导体、吸光系数高、禁带宽度可调、载流子迁移率高等。钙钛矿型太阳能电池的结构大致为FTO导电玻璃、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、金属电极。钙钛矿层在电池中作为吸光层,在电池中起着至关重要的作用。以CH3NH3PbI3为例,钙钛矿薄膜为直接带隙半导体,禁带宽度为1.55eV,电导率为10-3S/cm3,载流子迁移率为50cm2/(V.s),吸光系数为105,消光系数较高,几百纳米厚薄膜就可充分吸收800nm以下太阳光,且对蓝绿光的吸收要明显高于硅电池,且钙钛矿晶体结晶度较完美,载流子复合率较小,扩散长度增加,可高达1um.钙钛矿薄膜的质量主要受薄膜形貌的影响,而制备方法、界面材料等因素又对钙钛矿薄膜的形貌有很大影响。基于此,本课题着眼于研究界面材料对有机无机杂化钙钛矿薄膜形貌的影响。钙钛矿的结构为ABX3型,在有机无机杂化钙钛矿结构中,A位置为有机阳离子,B位置为金属阳离子, X位置为卤族原子。目前主要是CH3NH3PbI3、 CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbI3-xClx 几种类型。其成分及含量的不同都会对膜的质量造成影响。

    课题研究方法和技术路线:

    (1)课题以实验为重点,采用旋涂法,制备薄膜;

    (2) 通过控制变量法,进行对比实验,研究影响钙钛矿薄膜成膜的因素;

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