2017.11Vol.41No.11
收稿日期：2017-04-05
基金项目：江西科技师范大学校级科研项目(2015XJYB001)
作者简介：邝海(1983—)，女，湖南省人，
讲师，博士研究生，主要研究方向为半导体相关材料。
1671
钙钛矿太阳电池发展现状及趋势研究
邝
海
(江西科技师范大学，
江西南昌330038)摘要：分析了目前钙钛矿太阳电池具备的优点、存在的不足以及改进的方法和方向。提出了提高稳定性、降低成本、选择合适材料和优化工艺是促进钙钛矿太阳电池发展和商业化的关键。关键词：钙钛矿材料；转化率；稳定性；薄膜电池中图分类号：TM 914
文献标识码：A
文章编号：1002-087X(2017)11-1671-03
Development status and trend of perovskite solar cells
KUANG Hai
Abstract:The advantages and problems were discussed.And some new technologies were introduced.The
suggestions on the development of perovskite solar cell for future were proposed.Key words:perovskite;conversion rate;stability;thin film batteries 随着经济的发展，传统能源面临着供应危机[1]，可再生能源的开发和利用成为当前亟待解决的问题。太阳能取之不尽、用之不竭且清洁安全，是理想的可再生资源，如能够有效开发利用，既能满足日益增长的能源需求，又可解决环境污染的问题[2-3]。光伏发电作为一种将太阳能直接转变为电能的技术，占据着世界能源供应的重要位置，
而且必然成为未来能源的供应主体[4]。现常用的太阳电池材料主要有晶体硅和碲化镉。已经商业化的第一代晶体硅太阳电池转化率接近20%，约占市场份额的90%[5]
，但生产过程能耗高且需要昂贵的高纯材料，
了其发展，而碲化镉太阳电池部分原料有毒，亦非理想太阳电池材料。而新型钙钛矿电池转化率在最近5年内由3.8%迅速提高到20.1%以上[6]
(见图1[7]
)，与商业化多年的硅基太阳电
池相当，展示了诱人的前景，迅速成为研究热点，2013年被《自然》评为十大科技进展之一[8]
。
1钙钛矿太阳电池的优势
钙钛矿太阳电池近来备受关注，具备众多优势，主要包括：
(1)转化效率高。硅基太阳电池经过近50年的发展，最高转化率为25%[9]，而钙钛矿太阳电池近五年时间就已提升到20.1%。钙钛矿太阳电池的高转化率主要与其钙钛矿材料有关。钙钛矿材料的化学式为ABX 3，其中A 为CH 3NH 3+，B 一般为Pb 2+等，X 为Cl －、Br －等(见图2[8])。这种结构光吸收性能较好，400nm 厚的薄膜可吸收紫外至近红外光谱内的所有光子[10]。另外，低温下材料的结晶性能较好，有利于载流子扩散；其次，能有效传输电子和空穴，其电子与空穴扩散长度均可超过1000nm [11]。一般来说，载流子的扩散长度越大，其量子效率和光生电流密度越大，
有利于提高转化率[12]。钙钛矿材料载流子寿命远高于其他太阳电池材料。而且，无机成分的电荷载体迁移率也较高，使得光电转化过程中能量损耗较少。这些特点使钙钛矿太阳电池的转化率较高，其理论转化效率最高可达50%[13]。
(2)结构简单。钙钛矿太阳电池主要包含透明电极、空穴传输层、钙钛矿吸收层(含多孔支架层)、致密层和导电玻璃层[见图2(b)]，可做成p-i-n 型平面结构，
相
对于其他太阳电池，结构20082010
20122014
201015
5
年份
转化率
/%
图1钙钛矿太阳电池转化率的进展
(a)(ABX ) (b)钙钛矿的晶体结构钙钛矿太阳电池基本结构示意图
3图2
钙钛矿太阳电池材料及器件基本结构图
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较简单，
有利于规模化生产。(3)制作工艺相对简单，原料来源丰富。钙钛矿太阳电池的核心材料具有可溶制备的特点，可采用不需要真空条件的工艺制备，制备过程能耗低、环境友好。其原料来源较丰富，不像硅基太阳电池需用高纯原料。美国能源部表示，
钙钛矿太阳电池生产技术的飞速发展，将使得太阳能发电与传统能源煤火天然气一样便宜成为可能[11]。
(4)应用范围更广。
钙钛矿太阳电池属于薄膜材料，可将电池制在塑料、织物等柔性基底上，是柔性能源器件的较好选择[14]，还可以应用于高山、沙漠、海岛等偏远区域，可节省输电费用，降低能耗浪费。
2钙钛矿太阳电池的不足
钙钛矿太阳电池发展迅速，特别是其转化率上取得了可喜的成绩，但由于目前存在的一些缺陷，制约了其更广泛的应用，
主要有以下几方面：(1)稳定性不够，产业化难度较大。稳定性是钙钛矿太阳电池的重要指标[15]，主要取决于有机-无机杂化钙钛矿材料的结构稳定性，
影响因素主要有水、温度等。钙钛矿材料遇水容易分解。J H Noh 等[16]研究表明，湿度为55%的条件下钙钛矿材料被大量分解，组装好的器件置于空气中也会致使钙钛矿材料分解，这会直接导致钙钛矿太阳电池效率的下降，给器件封装和存放带来困难。目前，钙钛矿太阳电池的生产要求控制湿度，甚至是装配需要在惰性气体保护条件下完成，这导致钙钛矿太阳电池大规模生产比较困难[9]
。研究表明应用混合卤化物钙钛矿材料器件稳定性比单一
材料好[17]。增加保护层或者疏水层封装也可以提高钙钛矿太阳电池的稳定性，但这会增加成本也会增加工艺难度。因此，选择更加稳定且传输效果好的空穴传输材料将是更好的选择。
温度也是影响钙钛矿太阳电池稳定性的关键因素。当太阳电池的温度超过钙钛矿材料的相变温度时，可能会致使其晶格易被破坏而导致材料的分解[18]，从而影响钙钛矿太阳电池的稳定性。选择和制备热稳定性更好的钙钛矿材料是保障钙钛矿太阳电池稳定性的关键。
(2)大面积电池生产较难。目前报道的高效率钙钛矿太阳电池大都面积小，
大多基于面积为0.1m 2的电池[19]。而标准太阳电池效率测定需要面积至少1m 2。高效大面积的钙钛矿太阳电池的制备意义重大[9]。如图2(b)所示，钙钛矿太阳电池结构相当于薄膜电池，
由多层薄膜构成。每层均匀性达到高质量较难。另外，钙钛矿材料为多晶材料，晶界等缺陷容易存在[20]，这些缺陷容易成为复合中心。面积扩大会导致器件的转换效率急剧下降[14]。因此，大面积生产比较难。高转化率大面积钙钛矿太阳电池的生产是商业化推广的一大挑战。
(3)产生迟滞现象。
钙钛矿太阳电池的发电特征偏差较大，测定条件不同时会出现磁滞现象，致使对太阳电池的元件和发电特征研究较困难。有研究表明p-i-n 反式平面结构可减弱迟滞效应[21]。日本研究小组选择比较平滑致密的钙钛矿膜成功研制出磁滞较小的钙钛矿太阳电池，这或许是解决迟滞现象
的一个有效方向。
(4)常用的有机空穴传输材料有毒且价格昂贵。
目前，钙钛矿太阳电池常用的有机空穴传输材料Spiro-OMeTAD 价格昂贵，
使得器件成本难以降低。另外，现该材料都含有铅元素，铅有毒且在国际很多地方都禁止使用，这不仅对环境产生不良影响也了其广泛应用。因此，如何防止电池中的Pb 渗透到环境中以及无铅材料的开发是关键。
李云龙等[22]研究了锡基的钙钛矿材料，发现其成膜性比铅基的差，还需要改善其性能。Christians 等[23]用碘化铜制成的无机空穴传输层来代替有机空穴传输层的材料，但钙钛矿太阳电池的光电转换效率会下降。白晓功等[24]用Sr 部分取代Pb 制备少铅钙钛矿太阳电池，但其性能明显下降。综合性能更好的无铅空穴传输材料是钙钛矿太阳电池发展的重点研究方向之一。
3结束语
钙钛矿太阳电池因转化率高备受关注，
还兼有结构简单、工艺制备简单及可制备柔性器件等优点，是未来太阳电池发展的方向。但是目前钙钛矿太阳电池稳定性不好，面积太小不实用，常用的空穴传输材料有毒且昂贵，还存在迟滞现象，这些都是钙钛矿太阳电池大规模商业化生产急需解决的难题。因此，提高电池转化率和稳定性、降低成本、简化工艺及推进大规模化生产是钙钛矿太阳电池的未来发展趋势。经过技术改革和创新，钙钛矿太阳电池有望得到广泛应用。
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