钙钛矿太阳能电池文献总结报告.ppt

1、Company LogoCompany Logo钙钛矿太太阳阳能能电池文池文献献报告告文文献献总结 学学生生 陈麒麒Company LogoCompany Logo2发展历史发展历史目 录1工作原理、结构和性能工作原理、结构和性能2制备方法及性能稳定性的影响因素制备方法及性能稳定性的影响因素3缺陷及其未来发展方向缺陷及其未来发展方向4Company LogoCompany Logo3发展展历史史起始起始n源于源于染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池，但存在致命的缺陷，但存在致命的缺陷，液液态电解质会溶解或者分解钙钛矿敏化材料，使电池失态电解质会溶解或者分解钙钛矿敏化材料，使电池失效。效。发展发

2、展n将将一种固态的空穴传输材料一种固态的空穴传输材料(spiro-spiro-OMeTAOMeTAD D)引入到钙引入到钙钛矿太阳电池中钛矿太阳电池中，取代液态电解质。，取代液态电解质。继续发展继续发展n SnaithSnaith等人等人首次将首次将ClCl 元素引入钙钛矿中元素引入钙钛矿中,并使并使用用AlAl2 2O O3 3 替代替代TiOTiO2 2,证明钙钛矿不证明钙钛矿不 仅可作为光吸收层仅可作为光吸收层,还可作为电子传输层还可作为电子传输层。Company LogoCompany Logo4工作原理、结构和性能工作原理、结构和性能 三者相互制三者相互制约、相互、相互影影响响。工作

3、原理工作原理电池池结构构性能及性能及其作用其作用Company LogoCompany Logo工作原理典型典型钙钛矿钙钛矿太阳能太阳能电电池工作示意池工作示意图图Company LogoCompany Logo工作原理太阳光照射下钙钛矿染料敏化层吸收光子产生电子-空穴对，并且脱离束缚形成自由载流子由于钙钛矿型材料具有high dualElectron、hole Mobility、large absorp-tion coefficients、favorable band gap、strong defect Tolerance、shallow point Defects、benigngrain

4、boundary recombination Effects等优良性能，载流子复合机率小，迁移率高Company LogoCompany Logo工作原理电子通过电子传输层（ETL），最后被FTO收集；空穴通过空穴传输层（HTL），最后被金属电极收集。最后将FTO与金属电极连接成电路而产生光电流。Company LogoCompany Logo工作原理钙钛矿钙钛矿太阳能太阳能电电池池电电荷荷传输传输机制机制Company LogoCompany Logo工作原理电子-空穴对在TiO2/Perovskite 和spiro-OMeTAD/Perovskite 两异两异质结处同时分离,去向有：（1）

5、电子注入到子注入到TiO2（ETL)（2）空穴注入到）空穴注入到HTL（3）光致）光致发光光现象象（4）电子与空穴的复合子与空穴的复合（5）、（）、（6）电子和空穴的反向传输电子和空穴的反向传输（7）TiO2/HTM 界面界面处的的载流子复合流子复合Company LogoCompany Logo电池池结构构常见的钙钛矿太阳能电池结构：包括常见的钙钛矿太阳能电池结构：包括FTO FTO 导电玻璃导电玻璃、TiO2 TiO2 致密层致密层、TiO2 TiO2 介孔层介孔层、钙钛矿层钙钛矿层、HTM HTM 层层、金属电极金属电极.第一类：介孔结构（图第一类：介孔结构（图a a）、介观超结构（图）

6、、介观超结构（图b b）图a图bCompany LogoCompany Logo电池结构第二类：平板型异质结结构（平面结构），又可以第二类：平板型异质结结构（平面结构），又可以细分为细分为正置结构正置结构（regular planar structure）如图b，和倒置结构倒置结构（inverted planar structure）如图c。图（b）n-i-p 结构图（c）p-i-n结构Company LogoCompany Logo电池结构第三类：无第三类：无HTMHTM（空穴传输层）结构，如图（空穴传输层）结构，如图a a。第四类：有机结构，如图第四类：有机结构，如图b b。图a图bCom

7、pany LogoCompany Logo性能及其作用电子子传输层（ETL)的性能与作用的性能与作用1）定）定义：能接受带负电荷的电子载流子并传输电能接受带负电荷的电子载流子并传输电子载流子的结构。子载流子的结构。2）电子传输材料：通常具有较高电子亲和能和离）电子传输材料：通常具有较高电子亲和能和离子势的半导体材料，即子势的半导体材料，即n 型半导体。又可以细分为型半导体。又可以细分为有机半导体有机半导体与与无机半导体。无机半导体。3）电子传输原理：内建电场驱动的定向漂移与晶）电子传输原理：内建电场驱动的定向漂移与晶格的热振动造成的散射作用的共同作用。格的热振动造成的散射作用的共同作用。4）影

8、响电子传输效率的因素：半导体材料的能隙、）影响电子传输效率的因素：半导体材料的能隙、缺陷和杂质等。缺陷和杂质等。Company LogoCompany Logo性能及其作用常常见的的电子子传输层材料材料金属氧化物有机小分子复合材料有机小分子复合材料金属氧化物有机小分子复合材料金属氧化物有机小分子复合材料TiO2ZnOWO3等富勒烯及其衍生物通过绝缘材料框架与TiO2构成复合材料如TiO2/AI2O3。石墨烯/TiO2 纳米颗粒复合材料通过绝缘材料框架与TiO2构成复合材料如TiO2/AI2O3。石墨烯/TiO2 纳米颗粒复合材料通过绝缘材料框架与TiO2构成复合材料如TiO2/AI2O3。石墨

9、烯/TiO2 纳米颗粒复合材料，并掺杂其他元素，如钇。Company LogoCompany Logo性能及其作用电子子传输层作用作用1）促）促使光生电子空穴对分离，提高电荷分离及传使光生电子空穴对分离，提高电荷分离及传 输效率，避免电荷积累对器件寿命的影响。输效率，避免电荷积累对器件寿命的影响。2）电子传输材料经常被用于形成介观框架，起一）电子传输材料经常被用于形成介观框架，起一个支撑作用个支撑作用。3）缩短光生电子从钙钛矿体内到）缩短光生电子从钙钛矿体内到n 型半导体间的型半导体间的迁移距离迁移距离,能有效降低复合率。能有效降低复合率。现不少无空穴传输层的钙钛矿现不少无空穴传输层的钙钛矿太

10、阳能电池取得高效率的报道，太阳能电池取得高效率的报道，但并没有高效无电子传输层钙但并没有高效无电子传输层钙钛矿太阳能电池器件的相关报钛矿太阳能电池器件的相关报道。道。Company LogoCompany Logo性能及其作用空穴空穴传输层传输层（HTL）的性能与作用）的性能与作用定定义义：能：能够够接受接受带带正正电电荷的空穴荷的空穴载载流子并流子并传输传输的的结结构。构。HTL需要需要满足的足的条件条件HOMO 能能级要高于要高于钙钛矿材料的价材料的价带最大最大值,以便于将空穴从以便于将空穴从钙钛矿层传输到金属到金属电极。极。具有较高的电导率具有较高的电导率,这样可以减小串联电阻及这样可以

11、减小串联电阻及提高提高FFHTM 层和和钙钛矿层需需紧密接触密接触Company LogoCompany Logo性能及其作用常常见的空穴的空穴传输层材料材料有机小分子空穴有机小分子空穴传输材料材料聚合物空穴传输层材料聚合物空穴传输层材料无机空穴传输层无机空穴传输层无空穴传输层无空穴传输层小分子空穴传输层材料具有良好的流动小分子空穴传输层材料具有良好的流动性，能更好地填充介孔骨架，最常见的是性，能更好地填充介孔骨架，最常见的是Spiro-OMeTAD及其改性材料。及其改性材料。其他有机小分子其他有机小分子HTM，如，如2TAP-n-DP，Fused-F，T102，T103等等小分子空穴传输层材

12、料具有良好的流动小分子空穴传输层材料具有良好的流动性，能更好地填充介孔骨架，最常见的是性，能更好地填充介孔骨架，最常见的是Spiro-OMeTAD及其改性材料。及其改性材料。其他有机小分子其他有机小分子HTM，如，如2TAP-n-DP，Fused-F，T102，T103等等小分子空穴传输层材料具有良好的流动小分子空穴传输层材料具有良好的流动性，能更好地填充介孔骨架，最常见的是性，能更好地填充介孔骨架，最常见的是Spiro-OMeTAD及其改性材料，进行一系列及其改性材料，进行一系列掺杂。掺杂。其他有机小分子其他有机小分子HTM，如，如2TAP-n-DP，Fused-F，T102，T103等等如

13、如PEDOT:PSS，P3HT，PTAA等等 如如CuSCN、CuI、NiO等等有机无机复合钙钛矿材料本身具有有机无机复合钙钛矿材料本身具有 、双极性，电子、空穴传导能力都很强，双极性，电子、空穴传导能力都很强，因此其自身即可以作为空穴传输。因此其自身即可以作为空穴传输。Company LogoCompany Logo性能及其作用新型空穴新型空穴传输传输材料（材料（1）对传统的的spiro-OMeTAD材料材料进行行掺杂，如如掺杂Li-TFSI和和TBP。其他三苯胺类小分子空穴其他三苯胺类小分子空穴传输材料：传输材料：以三苯胺作为核心结构单以三苯胺作为核心结构单元元。联噻吩将四个三苯胺单元相连

14、合成联噻吩将四个三苯胺单元相连合成了了KTM3.KTM3，并掺杂钴化合物，并掺杂钴化合物三苯胺衍生物三苯胺衍生物(H101)以三蝶烯为核的三苯胺空穴传输材以三蝶烯为核的三苯胺空穴传输材,T101、T102、T103以平面胺基和三苯胺为核心的两种以平面胺基和三苯胺为核心的两种三苯胺衍生物，三苯胺衍生物，OMeTPA-FA 和和OMeTPA-TPA非三苯胺类含氮小非三苯胺类含氮小分子空穴传输材料分子空穴传输材料PNBADEHN,N-二二对甲氧基苯基胺取代的甲氧基苯基胺取代的芘衍生物芘衍生物(Py-A,Py-B,Py-C),Company LogoCompany Logo性能及其作用新型空穴新型空穴

15、传输传输材料（材料（2）含硫基团小分子空穴传输材料含硫基团小分子空穴传输材料含硫聚合物空穴传输材料含硫聚合物空穴传输材料含氮聚合物空穴传输材料含氮聚合物空穴传输材料Company LogoCompany Logo性能及其作用空穴空穴传输层（HTL）的作用）的作用1）促使电子和空穴在功能层界面分离促使电子和空穴在功能层界面分离,减少电荷减少电荷复合复合,同时有利于空穴传输同时有利于空穴传输,提高电池性能。提高电池性能。2）空穴传输材料具有稳定的热力学和光学性质会）空穴传输材料具有稳定的热力学和光学性质会有助于提高电池的稳定性。有助于提高电池的稳定性。3）对于介观敏化结构的钙钛矿电池）对于介观敏化

16、结构的钙钛矿电池,空穴传输材空穴传输材料还应该能够有效填充到介孔相以提高器件效率料还应该能够有效填充到介孔相以提高器件效率。Company LogoCompany Logo性能及其作用钙钛矿染料敏化染料敏化层（最常用（最常用CH3NH3PbX3，X代代表卤素，钙钛矿材料作为光吸收层，夹在表卤素，钙钛矿材料作为光吸收层，夹在ETL与与HTL之间，构成太阳能电池的最主要的之间，构成太阳能电池的最主要的P-I-N结构。结构。）1）晶型结构：这种）晶型结构：这种ABX3 型钙钛矿结构以金属型钙钛矿结构以金属Pb 原子为八面体核心、卤素原子为八面体核心、卤素Br 原子为八面体顶原子为八面体顶角、有机甲氨基团位于面心立方晶格顶角位置。角、有机甲氨基团位于面心立方晶格顶角位置。2）作用：钙钛矿作为吸收层）作用：钙钛矿作为吸收层,在电池中起着至关在电池中起着至关重要的作用。是光生电子与空穴产生的场所，是整重要的作用。是光生电子与空穴产生的场所，是整个钙钛矿太阳能电池的核心。个钙钛矿太阳能电池的核心。Company LogoCompany Logo性能及其作用3）结构特点：构特点：卤素八面体共顶点连接,