Fluolab
Search K

切换日光/暗黑模式

【温故知新】19000+引用，开启钙钛矿太阳能电池新篇章 ​

一、引言 ​

有机金属卤化物钙钛矿（Organometal Halide Perovskites，简称 OHPs）作为一种新型的可见光敏化剂，近年来在光伏电池领域引起了广泛关注。这些材料因其低成本、高效率和易于制备等优点，被认为有望与传统的硅基太阳能电池竞争。

二、有机金属卤化物钙钛矿的特性 ​

  1. 可调带隙：OHPs 的带隙可以通过改变组成元素（如 Pb、Sn 等）和卤素（如 I、Br、Cl 等）的比例来调节，从而实现对不同波长光的吸收。

  2. 高光吸收能力：这些材料对可见光的吸收能力极强，能够在较薄的薄膜中实现高效的光吸收。

  3. 长载流子寿命：OHPs 具有较长的载流子寿命，这有助于提高光生载流子的传输效率，从而提高电池的光电转换效率。

  4. 低激子束缚能：低激子束缚能使得光生载流子更容易分离，减少复合损失。

  5. 强缺陷容忍性：OHPs 对缺陷具有较强的容忍性，即使在存在缺陷的情况下，仍能保持较高的光电性能。

【经典重温】19000+引用,开启钙钛矿太阳能电池新篇章_-_visual_selection.png

三、有机金属卤化物钙钛矿在光伏电池中的应用 ​

  1. 单结钙钛矿太阳能电池：

    • 最初，OHPs 被用作染料敏化太阳能电池中的光敏化剂，但由于液态电解质的存在，效率较低。

    • 随后，通过各种合成路线和结构/界面工程，单结钙钛矿太阳能电池的效率得到了显著提升。例如，CH 3 NH 3 Pb (I 1-xBrx) 3 系列材料通过调节卤素比例，实现了对整个可见光谱的吸收。

    • 目前，单结钙钛矿太阳能电池的效率已经接近 25%。

  2. 叠层/多结钙钛矿太阳能电池：

    • 为了突破单结太阳能电池的效率极限（理论值为 29.8%），研究人员开发了叠层太阳能电池。这种电池由两个或多个子电池串联或并联组成，每个子电池负责吸收特定波长的光，从而提高整个电池的光电转换效率。

    • 例如，通过将钙钛矿与硅基太阳能电池结合，可以实现更高的效率。

  3. 柔性钙钛矿太阳能电池：

    • 柔性钙钛矿太阳能电池具有轻质、可弯曲等优点，适用于便携式电子设备和可穿戴设备。通过优化材料和制备工艺，柔性钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性得到了显著提升。

【经典重温】19000+引用,开启钙钛矿太阳能电池新篇章_-_visual_selection (1).png

四、研究进展 ​

  1. 早期研究：

    • 2009 年，Kojima 等人首次报道了基于 CH 3 NH 3 PbI 3 的钙钛矿太阳能电池，效率达到 5.5%。

    • 2011 年，Im 等人报道了基于钙钛矿量子点的太阳能电池，效率达到 6.5%。

  2. 效率提升：

    • 2012 年，Kim 等人报道了基于 PbI 2 的全固态亚微米薄膜介观太阳能电池，效率超过 9%。

    • 2013 年，Burschka 等人通过顺序沉积法制备了高性能的钙钛矿敏化太阳能电池。

    • 2013 年，Liu 等人通过蒸气沉积法制备了高效的平面异质结钙钛矿太阳能电池。

  3. 材料优化：

    • 2014 年，Jeon 等人通过溶剂工程制备了高性能的无机-有机杂化钙钛矿太阳能电池。

    • 2014 年，Giles 等人报道了基于甲酰胺铅三卤化物的高效平面异质结太阳能电池。

    • 2015 年，Jeon 等人通过组成工程制备了高性能的钙钛矿材料。

    • 2016 年，Saliba 等人报道了含有铯的三阳离子钙钛矿太阳能电池，具有更高的稳定性和效率。

【经典重温】19000+引用,开启钙钛矿太阳能电池新篇章_-_visual_selection (2).png

五、面临的挑战 ​

  1. 稳定性问题：

    • OHPs 在光照、湿度和高温条件下容易降解，影响电池的长期稳定性。

    • 例如，SnO 2 作为电子传输层时，表面吸附的羟基和氧空位会降低电学性能，导致电池效率下降。

  2. 界面工程：

    • 为了提高电池的性能和稳定性，研究人员通过界面工程来优化电子传输层和钙钛矿层之间的接触。例如，使用 8-羟基喹啉（8-HQ）修饰 SnO 2 表面，可以减少表面陷阱态，提高电荷传输效率。

六、未来发展方向 ​

  1. 材料创新：

    • 开发新型的钙钛矿材料，如二维钙钛矿和无铅钙钛矿，以提高稳定性和环境友好性。

    • 例如，Cs 2 SnI 6 作为一种无铅钙钛矿材料，具有较高的吸收系数和良好的稳定性。

  2. 器件结构优化：

    • 通过优化器件结构，如叠层和多结结构，进一步提高太阳能电池的效率。

    • 例如，将钙钛矿与硅基太阳能电池结合，可以实现更高的效率。

  3. 大规模生产：

    • 研究低成本、大规模的制备工艺，如溶液法制备和卷对卷印刷技术，以实现钙钛矿太阳能电池的商业化应用。

【经典重温】19000+引用,开启钙钛矿太阳能电池新篇章_-_visual_selection (1).png

七、结论 ​

有机金属卤化物钙钛矿作为一种新型的可见光敏化剂，在光伏电池领域展示了巨大的潜力。通过材料优化、界面工程和器件结构创新，钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性得到了显著提升。尽管仍面临一些挑战，但随着研究的不断深入，钙钛矿太阳能电池有望在未来的能源市场中占据重要地位。

参考文献 ​

Akihiro Kojima, Kenjiro Teshima, Yasuo Shirai, Tsutomu Miyasaka. Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 17, 6050–6051. https://doi.org/10.1021/ja809598r

Advanced progress in metal halide perovskite solar cells: A review. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589234723002907

Emergence of melt and glass states of halide perovskite semiconductors. https://www.nature.com/articles/s41578-024-00759-x

Enhancing the performance and stability of organometal halide perovskite by using a feasible and economical interface material. https://link.springer.com/article/10.1007/s40243-024-00279-2