氧化镍空穴传输层在碳基钙钛矿太阳能电池中的应用研究文献综述

 2022-11-24 20:20:42

太阳能电池的研究背景

随着人类社会的快速发展，人类对能源的需求量与日俱增。能源可以分为不可再生资源和可再生资源，其中不可再生资源包括石油、天然气、煤炭、核能、化学能等需要漫长岁月才能形成的能源，可再生能源主要包括太阳能、风能、潮汐能等在自然界可以循环再生的能源。然而传统化石能源的消耗量不断增加，尤其是石油、天然气、煤矿等能源己接近枯竭，人类面临的能源短缺问题日益加剧。可再生能源的过度消耗和随之而来的环境污染问题迫使人类寻求绿色无污染的可再生能源以此代替不可再生能源。在众多的可再生能源中，取之不尽、用之不竭的太阳能具有来源广泛、易于开发、无污染等优点，深度开发太阳能资源对于解决日益紧迫的能源、生态、环境和气候问题具有十分重要的意义。目前，利用太阳能资源的方式主要有三种：一是将太阳能转化为热能，即光-热转化；二是将太阳能转化为化学能，即光-化学能转化；三是将太阳能转化为电能，即光-电转化，光-电转化是利用太阳能资源最常用的一种方法。第三代太阳能电池是有机太阳能电池，包括量子点太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机小分子太阳能电池、新型钙钛矿太阳能电池。这类电池由于制作成本低且生产工艺简单已经引起了研究人员的广泛关注，尤其是钙钛矿太阳能电池的发展速度最为惊人，其能量转换效率现已超过25%。

钙钛矿材料的结构和性质

钙钛矿材料的结构

钙钛矿在狭义上是指科学家早在十九世纪于钙钛矿石中发现的一种成分为CaTiO3的矿物，在广义上是指一种典型的杂化层状结构，用通用的化学式ABX3表示，属立方晶系。其中，A通常是指半径较大的阳离子，占据立方体的八个顶点，最常见的是甲胺基团（CH3NH3 ，MA）[6]；B代表半径较小的阳离子，主要Pb2 和Sn2 ，位于立方体的体心；X一般表示卤素离子或多种卤素离子的混合，如I-， Br-，Cl-，占据立方体的面心[1]。所以，钙钛矿晶体结构可以被看作由八个BX6八面体围绕A离子共顶连接形成的。这种连接方式使得八面体之间具有较大的空隙，便于大尺寸离子的填入，即使产生晶体缺陷，或者各组分离子尺寸与几何学要求有较大差别时，晶体仍能够保持结构的相对稳定[2]。

钙钛矿材料的性质

有机-无机杂化钙钛矿材料具有直接光带隙、高吸收系数、双极性输运、载流子扩散长度长和低激发结合能等优异的光学和电学性能。此外，由于有机官能团的存在。有机-无机杂化钙钛矿材料可以溶解在各种有机溶剂中，而且简单的低温溶解策略可以保证高质量的薄膜。例如,钙钛矿在100°C退火, DMF的粒度被成功地用于提高[3]。因此，有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)受到了广泛关注，近年来其能量转换效率(PCE)由3.8%提高到22%，重要的是，PSCs的低成本、高效率和稳定性是促进其工业化生产的指导思想。到目前为止，螺柱-米塔德(Spiro-OMeTAD)通常被用于PSCs中作为空穴传输材料。然而，昂贵的螺旋米塔德具有较低的载流子迁移率，需要添加添加剂来增强电荷转移。替代品已经被开发出来，如CuI, CuSCN, Cu2O, NiO和PEDOT:PSS[4]，在其上沉积昂贵的Ag或Au作为电极。然而，高成本的真空技术和贵金属限制了其大规模应用，而且，在空气环境下稳定性不佳。因此，人们提出了各种降低成本和提高PSCs稳定性的策略。一些的论文中总结了碳材料在PSCs各个部分的应用中所发挥的积极作用，因为其成本低、来源广泛、电导率高、化学稳定性。低成本的碳材料不仅增强了PSCs的电荷输运，而且提高了PSCs的稳定性。因此，碳基无孔导体PSCs的成功开发，满足低成本和高稳定性。在minus;5.0 eV左右，碳的功函数使其成为PSCs的理想电极[5].

钙钛矿太阳能电池各组成部分的研究进展

电子传输层

电子传输层包括致密层和多孔层，又可根据多孔层的有无划分为多孔体系和平板体系，两种体系都已经取得了较好的研究成果。一方面，电子传输层可以与钙钛矿层之间形成电子选择接触，用于光生电子的传输。另一方面，电子传输层能够阻挡空穴传输、抑制载流子的复合[6]。TiO2因为电子迁移率高，具有合适的能带和钙钛矿相匹配，是钙钛矿太阳能电池中应用最广泛的电子传输层材料。致密层也被称为阻挡层，致密层在钙钛矿太阳能电池中主要有两个作用：一是提供合适的导带位置，使电子更好的注入；二是减少导电基底和空穴传输层中电子与空穴的复合。目前TiO2、ZrO2、Al2O3以及ZnO等已经被应用到了PSCs中[7]，因为不同金属氧化物的导带能级相对于CH3NH3PbI3不同，所以它们在电池中所起到的作用也不相同，其中ZnO和TiO2的导带能级小于CH3NH3PbI3，因此以这两种氧化物作为介孔层材料时，其不仅起到支撑CH3NH3PbI3的作用，同时也能够传输电子。不同于上述两种物质，ZrO2和Al2O3的导带能级大于CH3NH3PbI3，电子无法从CH3NH3PbI3导带迁移到ZrO2和Al2O3，因此以这两种氧化物为原料制备的介孔层仅具有支撑的作用。介孔层在电池中的主要作用就是吸附CH3NH3PbI3和传输电子。介孔层的厚度对于电池的性能有着重要影响，当印刷制备的介孔层厚度太薄时，吸附在其上的CH3NH3PbI3较少[8]，导致受光激发后产生的电子-空穴对相对较少，最终使得电池的光电转换效率较低；另一方面，由于钙钛矿吸收光子后产生的电子和空穴的传输距离有限，因此，当印刷制备的介孔层较厚时，电子和空穴在未能及时传输出去之前就发生复合，暗电流变大，进而降低了电池的效率[9]。

钙钛矿层

在制作钙钛矿薄膜的工艺手段中，一般有三种比较典型实用的方法：

(a)

(b)

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