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钙钛矿型光伏材料的设计

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本文以钙钛矿型光伏材料的设计作为主要研究课题,基于钙钛矿具有的良好双极性电荷传输特性,设计了一种钙钛矿型太阳能电池。研究了掺杂浓度、膜层厚度以及带隙匹配等因素对电池效率的影响。发现通过能带匹配度可以实现串联太阳能电池设计中的电流匹配和高开路电压问题,并使吸收光谱拓宽和复合率降低,太阳能电池的性能明显提高。这些结果有助于在未来设计结构更加简单的并且更加有效的钙钛矿型光伏材料。
关键词:钙钛矿型;光伏材料;太阳能电池
化学设计
钙钛矿(perovskite)通常是指由钛酸钙组成的钙钛氧化物矿石,其分子式为CaTiO3。Perovskite后被用来指和钙钛氧化物具有相同晶格结构的材料,就是人们常说的钙钛矿结构。纯相钙钛矿化合物的结构式通常描述为AMX3,其中A和M是两种半径不同的阳离子,X是和这两种阳离子分别成键的阴离子。
2009年,有机/无机杂化钙钛矿被日本科学家Tsutomu Miyasaka等人首次应用于光伏领域,利用CH3NH3PbI3,CH3NH3PbBr3作为光吸收层,分别取得了3.81%,3.13%的光电转换效率。由于光电转化效率并不高,这一工作在当时并未受到广泛关注。随后韩国成均馆大学的的Nam-Gyu Park教授研究组通过将钙钛矿材料制备为量子点,实现了6.5%的光电转化效率。2012年,Nam-Gyu Park等人利用CH3NH3PbI3作为染料敏化太阳能电池的光吸收层,使用Spiro-MeOTAD作为空穴传输层,制备出一种全固态的介孔TiO2太阳能电池,实现了9.7%的光电转换效率。此后,钙钛矿太阳能电池在光电转换效率上取得了重大进展。2013年,Nature上分别发表了Henry J. Smith,Michael Gratzel课题组报道钙钛矿太阳能电池效率超过15%的文章,如此快的增长效率掀起了研究有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池的热潮。2014年,Yang等人通过界面工程技术将钙钛矿太阳能电池的效率提升到19.3%。到目前为止,根据美国可再生能源实验室公布的电池效率数据,钙钛矿太阳能电池认证的最高效率已高达22.1%。使其远远超越了传统的染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池,成为具有实用化前景的第三代薄膜太阳能电池之一。钙钛矿太阳能电池也因此被《Science》评选为2013年十大科学突破之一。

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