新型结构钙钛矿太阳能电池的制备和表征(2)

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结论 32

致谢 34

参考文献 35

附录A 38

1 绪论

1.1 研究背景

我国能源结构,人口模式,社会大幅度发展等原因致使我国处于能源紧缺以及环境污染的严重阶段。如不调整能源结构,我国的能源日益减少,将严重影响到人民的生活以及社会的发展进步。目前大部分国家已经开始着手调整能源使用的结构,将传统能源置换为更加环保更加先进的可再生能源。面对全球紧缩的能源现状,中国作为人口大国,更应该以身作则,弘扬科学发展观,将目光注视到可再能源的开发上。

太阳能电池能够有效得吸收利用可再生能源即太阳能,并将我们常见而又容易忽视的太阳能用于发电,大大节约了能源的损耗的同时也保护了环境。太阳能电池拥有许多无法忽视的优点:有光照的地方就可以发电；从能量转化过程来看,它简单、安全、无污染；它的设备简单,是一块块电池板,不需要其他的机械传动装置,不需要专门架设电网。而太阳能电池的产业在中国的发展也很迅速,到2014年为止,中国太阳能发电的总容量取得了全球第二名的好成绩。

1.2 钙钛矿太阳能电池的发展历史

太阳能电池更新换代较快,可以分为三个阶段[1]。第一代的太阳能电池是硅基太阳能电池,它经过多年的应用与发展在电池特性具有优势,从市场中脱颖而出并占有了超过90%的份额。目前硅电池的最高效率为25.6%,是松下公司所制造的大尺寸电池[2]。然而因为硅太阳能电池制造成本高,限制了它的商业化发展。薄膜太阳能电池作为第二代的产物,已经能够制造出效率较高的电池,但是第二代太阳能电池因为生产成本高且电池不稳定,种种原因阻碍了它的发展。第三代的太阳能电池是最近提出并开始了重点研究的太阳能电池,它是基于一些新型材料以及先进纳米技术而发展起来的。作为一种新型的太阳能电池技术,它具有生产成本低、耗能较少,生产材料较广泛,制作设备简单且环保污染小等优点。

1.3 钙钛矿太阳能电池的原理

本文中的CH3NH3一律简写为MA,则CH3NH3I简写为MAI,CH3NH3PbI3简写为MAPbI3。此后不再一一说明。

电池中的光吸收层采用的材料为钙钛矿结构的材料,它是为一种化学式是ABX3的化合物。在晶体结构中,A,B的位置上通常是一价和二价的阳离子。如图1.1所示,B阳离子被六个面中心的X阴离子形成正八面体,A阳离子位于正方体的八个顶角上。

钙钛矿材料的晶体结构示意图

图1.1 钙钛矿材料的晶体结构示意图

这种结构的材料能够用于制备太阳能电池, 主要是因为其结构中A ,B 位置上的阳离子可以被各种离子替代。而且替代的离子范围广泛,不同价位和不同半径的离子在不同的浓度范围内均可。此外,钙钛矿材料还有很多有利的特点,这些特点促使钙钛矿材料在太阳能电池中得以广泛得应用。晶体结构稳定,因此制备出的钙钛矿太阳能电池不易发生分解变质等情况,电池能在一定时间内保持活性。适宜的直接带隙,能够保证载流子的顺利传输以及收集。光吸收系数较高,可在一定程度上对增大太阳能电池的效率作出可观的贡献。此外,这种结构的缺陷容忍度也很强,因此大大增加了电池的合格率,对钙钛矿太阳能电池的商业生产有很大的益处[3]。关于钙钛矿太阳能电池的研究中,ABX3的组成一般为:A是CH3NH3+,B为Pb2+,O为I-,Br-或Cl-。