1、得分：100Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition高效的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦蒸汽沉積太陽(yáng)能電池作者：劉振明，Michael b . Johnston1和亨利·j·Snaith1出版源：Nature Photonics2013.9.19：395-401組員信息：王夏夏 1310830420 吳倩 1310830224 劉風(fēng)娟 1310830220 楊認(rèn)知 1310830219 2013.9.19 第501期 自然科學(xué)類(lèi) 395©2013 麥克米倫出版社有限公司

2、。版權(quán)所有摘要：許多不同的光電技術(shù)正在為轉(zhuǎn)換大規(guī)模太陽(yáng)能而發(fā)展。固體薄膜半導(dǎo)體吸收層夾在兩個(gè)負(fù)責(zé)選擇物質(zhì)和依賴(lài)分布式異質(zhì)結(jié)產(chǎn)生電荷,在空間分布上分開(kāi)運(yùn)輸帶正電和負(fù)電電荷的納米(或介孔)太陽(yáng)能電池，它一直緊隨基于第一代光伏設(shè)備的晶片的后面。盡管許多材料已用于納米設(shè)備,以這樣的方式達(dá)到高效薄膜太陽(yáng)能電池的目標(biāo)尚未實(shí)現(xiàn)。有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦最近為制作高效納米設(shè)備成為一種很有前途的材料。在這里,我們表明,納米結(jié)構(gòu)沒(méi)有必要用這種材料來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率:一個(gè)簡(jiǎn)單的將蒸汽沉積鈣鈦礦作為吸收層平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池可以使太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的功率轉(zhuǎn)換效率超過(guò)15%(如模擬完整的陽(yáng)光下測(cè)量)。這表明鈣鈦礦吸收器可以簡(jiǎn)化設(shè)備

3、結(jié)構(gòu)在最高效率,而不需要復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)。 太陽(yáng)能電池有許多不同的離散元件、不同的公差純潔和光電特性的組件。混合無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池的概念是“材料不可知論者”,它的目標(biāo)是為每個(gè)單獨(dú)的功能使用最適宜的材料。任何豐富、廉價(jià)容易加工的材料,都可以用來(lái)制作高效的太陽(yáng)能電池。混合太陽(yáng)能電池已經(jīng)證實(shí)聚合物混合包含半導(dǎo)體納米晶體,如硒化鎘(參考文獻(xiàn)12),銅銦硫(參考文獻(xiàn)13)和聚丁二酸丁二醇酯(參考文獻(xiàn)14)。涂料的太陽(yáng)能電池是含有介孔無(wú)機(jī)n型氧化物(如二氧化鈦)與有機(jī)或金屬絡(luò)合染料敏化,并與有機(jī)p型孔導(dǎo)體滲透的混合太陽(yáng)能電池。最近,擁有一般化學(xué)式(其中R代表的是,X代表鹵素I,Br或Cl,B代表鉛或錫）的有機(jī)金

4、屬三鹵化合物鈣鈦礦吸收器已經(jīng)使用非色素增感太陽(yáng)能電池提供能量轉(zhuǎn)換效率超過(guò)10%(參考文獻(xiàn)8、11、16）的固態(tài)染料太陽(yáng)能電池。 隨著色素增感太陽(yáng)能電池的發(fā)展,我們發(fā)現(xiàn)用介孔氧化鋁取代介孔二氧化鈦使效率顯著提高,我們把提供開(kāi)路電壓超過(guò)1.1v的設(shè)備叫做平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。我們把觀察到的開(kāi)路電壓的增強(qiáng)歸結(jié)于鈣鈦礦相上光激發(fā)電子的限制，在照明條件下從而提高電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米水平的分割,最終生成開(kāi)路電壓。通過(guò)進(jìn)一步去除熱燒結(jié)的介孔氧化鋁層和更好的優(yōu)化處理后,使平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率超過(guò)12%。此外,當(dāng)沒(méi)有中構(gòu)造時(shí)，在可溶液加工平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池配置上作為一臺(tái)薄膜吸收器可以相對(duì)有效的

5、,參與交付效率5%左右。以前的工作表明,鈣鈦礦吸收器能夠在一個(gè)更簡(jiǎn)單的平面結(jié)構(gòu)上運(yùn)行,但提出了一個(gè)問(wèn)題:是否中構(gòu)造是至關(guān)重要的為最高的效率,或平面異質(zhì)結(jié)薄膜是否會(huì)產(chǎn)生先進(jìn)的技術(shù)。 在這里,我們使用雙源蒸汽沉積作為一種創(chuàng)建統(tǒng)一的混合金屬鹵化物鈣鈦礦的方法。在圖1中,我們展示了一個(gè)蒸汽沉積設(shè)置的說(shuō)明,也就是平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池p- i -n的一個(gè)例子(參見(jiàn)圖1 c)。從底部(光線(xiàn)入射的一面),該設(shè)備是建在摻雜氟的二氧化錫(功能試驗(yàn)?zāi)繕?biāo))鍍膜玻璃上,鍍膜玻璃涂有N型的二氧化鈦用于電子選擇聯(lián)系。鈣鈦礦層沉積在N型致密層,其次是p型孔導(dǎo)體,(2,2',7,7'-四N,N-二(4-甲氧基苯

6、基)氨基-9,9'-螺二芴),保證了孔的選擇性收藏在銀陰極。考慮到本研究的目的是了解和優(yōu)化氣鈣鈦礦的屬性吸收層,緊湊的二氧化鈦和螺雙芴孔運(yùn)輸者處理加工,像以往的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。 在圖1 b,我們比較的x射線(xiàn)衍射圖樣或儲(chǔ)存的水蒸氣或鑄件的溶解到使有涂料的二氧化鈦和功能試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)鍍膜玻璃緊密結(jié)合。主要衍射峰,分配到110年,220年和330年的峰值分別為14.12 度,28.44 度和43.23 度，在相同的位置處理方法和儲(chǔ)存水蒸汽薄膜,表明這兩種技術(shù)產(chǎn)生了相同的混合鹵化物斜方晶系的水晶結(jié)構(gòu)鈣鈦礦。值得注意的是,密切關(guān)注該地區(qū)的(110)衍射峰為14.12 度,只有一個(gè)小12.6

7、5度的署名（碘化鉛的衍射峰）和沒(méi)有測(cè)量的15.68度衍射峰(的衍射峰）,表明純度高水平的階段。晶體結(jié)構(gòu)的圖所示圖1 d。和混合鹵化物鈣鈦礦之間的主要區(qū)別是鈣鈦礦c軸小幅收縮。這是與位于頂端位置混合鹵化物鈣鈦礦的氯原子相符合的,正如理論上已經(jīng)預(yù)測(cè)的，PbI4平面不是在赤道八面體。現(xiàn)在我們比較設(shè)備制造的薄膜結(jié)構(gòu)拓?fù)浜筒糠只旌系恼羝练e或解決方案處理。頂視圖的掃描電子顯微鏡(掃描時(shí)電子顯微鏡)圖像圖2 a,b在兩個(gè)沉積過(guò)程產(chǎn)生的薄膜形態(tài)突出了相當(dāng)大的差異。氣薄膜非常均勻,似乎與晶體特征長(zhǎng)度尺度的幾百納米。相比之下,處理的溶液薄膜似乎覆蓋部分表面,與晶體長(zhǎng)度尺度的“血小板”幾十微米。晶體間的空隙處理的

8、溶液薄似乎直接擴(kuò)展到緊湊型有涂料的二氧化鈦和涂層導(dǎo)電玻璃。 2013.9.19 第501期 自然科學(xué)類(lèi) 396©2013 麥克米倫出版社有限公司。版權(quán)所有圖1 |材料沉積系統(tǒng)和表征。A.種用于沉積鈣鈦礦吸收劑的雙熱源熱蒸發(fā)系統(tǒng)；有機(jī)源銨碘和無(wú)機(jī)源PbCl2。b.一種溶液處理的鈣鈦礦薄膜（藍(lán)）和汽相淀積的鈣鈦礦薄膜的X射線(xiàn)衍射譜（紅）。基線(xiàn)偏移比較和強(qiáng)度已被規(guī)范化。c.平面異質(zhì)結(jié)的一般結(jié)構(gòu)：一種是鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池。d.采用鈣鈦礦ABX3鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)形式吸收，其中一個(gè)是甲，乙是Pb和X是I或Cl。 2013.9.19 第501期 自然科學(xué)類(lèi) 397©2013 麥克米倫出版社

9、有限公司。版權(quán)所有完成設(shè)備的橫斷面圖像圖2 c,d透露更多關(guān)于晶粒大小的信息。氣鈣鈦礦的薄膜(圖2 c)是統(tǒng)一的,類(lèi)似導(dǎo)電層,雖然略大的晶體特性。處理的溶液薄膜鈣鈦礦(圖2 d)掃描時(shí)電子顯微鏡非常光滑。圖像顯示，具有更大的晶粒尺寸比視野一致。對(duì)這些薄膜的晶粒尺寸大于我們能夠確定從X射線(xiàn)衍射峰的寬度（約400nm），由于機(jī)加寬。在縮小，水汽圖2E鍍膜持平，具有約330納米的平均膜厚。相反，溶液處理膜圖2F有起伏的性質(zhì)，隨著薄膜厚度的50410nm。值得注意的是，這仍然是在一個(gè)單一的橫截面的血小板，所以更粗糙，出現(xiàn)遠(yuǎn)程播鈣鈦礦吸收是完全不存在的領(lǐng)域（在多個(gè)SEM圖像觀察從0到465nm厚度變化）

10、。 電流/電壓曲線(xiàn)測(cè)量在模擬AM1.5，101兆瓦每負(fù)二次方厘米輻照度（模擬太陽(yáng)光）為表現(xiàn)最好的氣相沉積和溶液加工平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池，如圖3所示。最有效的圖2 |薄膜結(jié)構(gòu)表征。a和b分別為鈣鈦礦晶體蒸汽與鈣鈦礦晶體溶液自上而下的電鏡掃描圖像。c和d分別為高放大率倍數(shù)下鈣鈦礦晶體蒸汽與鈣鈦礦晶體溶液的完整橫截面電鏡掃描圖像。e和f分別為低放大率倍數(shù)下鈣鈦礦晶體蒸汽與鈣鈦礦晶體溶液的完整橫截面電鏡掃描圖像。氣相沉積彼羅夫-突擊設(shè)備有21.5毫安每負(fù)二次方厘米短路電流，1.07v的開(kāi)路電壓和填充因子0.68，得到15.4%的效率。在同一批次，最好的解決方案處理的平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池產(chǎn)生一種鈣鈦礦1

11、7.6毫安每負(fù)二次方厘米短路電流，對(duì)0.84v開(kāi)路電壓和填充因子為0.58，產(chǎn)生8.6%的整體效率。在表1中，我們提取的性能參數(shù)，這些表現(xiàn)最好的細(xì)胞和一批12蒸氣平均標(biāo)準(zhǔn)偏差沉積的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池制作中以相同的方式來(lái)表現(xiàn)最佳的細(xì)胞。 雙源汽相沉積的結(jié)果，在一個(gè)范圍內(nèi)的長(zhǎng)度尺度上的涂層的鈣鈦礦薄膜的均勻性，從而大大提高了太陽(yáng)能電池的性能，在優(yōu)化平面異質(zhì)結(jié)的鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池，鈣鈦礦薄膜厚度是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。如果薄膜太薄，那么這個(gè)區(qū)域就不能吸收足夠的陽(yáng)光。事實(shí)上，它是能夠這樣的話(huà)不均勻起伏的溶液澆鑄膜可以提供設(shè)備和超過(guò)8%的效率。這里給出的結(jié)果表明，固體鈣鈦礦層可以在太陽(yáng)能電池非常好操作，并且在本質(zhì)

12、上設(shè)置一個(gè)下限的330 nm（膜厚）對(duì)這種鈣鈦礦吸收電子和空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度。然而，還需要更多的研究來(lái)確定電子和空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度的準(zhǔn)確理解原發(fā)性激勵(lì)機(jī)制的自由電荷產(chǎn)生在這些材料。 甲、乙、掃描電鏡頂部的一種氣相沉積的鈣鈦礦膜（一）和一種溶液處理的鈣鈦礦膜（乙）。高放大率下的完整的太陽(yáng)能電池，由蒸汽沉積的鈣鈦礦膜（碳）和一個(gè)高放大的橫截面掃描電鏡圖像。溶液處理的鈣鈦礦薄膜（三維），在較低的放大率下，通過(guò)氣相沉積的鈣鈦礦膜（電子）和一種溶液處理的鈣鈦礦薄膜，對(duì)薄膜進(jìn)行了掃描電鏡觀察沉積。小分子有機(jī)太陽(yáng)能電池還可以直接與溶液加工的有機(jī)光電的DES -皮特很低水平的研究和發(fā)展的競(jìng)爭(zhēng)，因?yàn)檎羝练e的電荷收集接

13、口，可以仔細(xì)調(diào)諧，和多結(jié)結(jié)構(gòu)是更簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于目前的蒸氣沉積鈣鈦礦技術(shù)有趣的可能性是使用它在與晶體硅或銅、鎵混合串聯(lián)結(jié)“頂細(xì)胞（DI）的元素的窩巢。雖然最終“鈣鈦礦多結(jié)電池應(yīng)該是可以實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦電池進(jìn)行性能，足以增加高效晶體硅和銅銦鎵的絕對(duì)效率（DI）硒太陽(yáng)能電池。此外，因?yàn)榕c傳統(tǒng)的硅晶片和薄膜太陽(yáng)能電池的處理方法是完全兼容的鈣鈦礦層的蒸汽沉積，基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)到位，以擴(kuò)大這種技術(shù)。我們已經(jīng)建立了汽相沉積的金屬三鹵化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池基于平面異質(zhì)結(jié)薄膜結(jié)構(gòu)，有一個(gè)太陽(yáng)能電力轉(zhuǎn)換效率超過(guò)1.07 V的鈣鈦礦型減振器,開(kāi)路電壓15%似乎是通過(guò)用材料摻入高效太陽(yáng)能電池，由于低溫處理的需要

14、，可以使用溶液處理或氣相沉積或兩者都選，簡(jiǎn)化裝置結(jié)構(gòu)和許多其他金屬和有機(jī)鹽能增強(qiáng)形成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的可用性。無(wú)論是蒸汽沉積的首選路線(xiàn)，還是制造或簡(jiǎn)單地表示一個(gè)基準(zhǔn)的方法，用于制造非常均勻的薄膜（最終將匹配的溶液處理）仍有待看到。最后，對(duì)于光伏社區(qū)的主要目標(biāo)是要找到一個(gè)更寬的帶隙的高效的頂端細(xì)胞，是提高晶體硅和現(xiàn)有的第二代薄膜太陽(yáng)能電池性能的下一步。這是我們的科技大廠鈣鈦礦與這些第一代和第二代技術(shù)兼容，因此很可能是由傳統(tǒng)的光電產(chǎn)業(yè)社區(qū)，采用。因此，它可能會(huì)發(fā)現(xiàn)其它的方式使其迅速轉(zhuǎn)化為實(shí)用規(guī)模發(fā)電。方法總結(jié)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的減振器是由一個(gè)雙光源（庫(kù)爾特J.萊思科蒸發(fā)系統(tǒng)沉積微型光譜）與陶瓷坩堝（有機(jī)發(fā)光二極

15、管）在氮?dú)馐痔紫渲薪M成。氣相沉積鈣鈦礦設(shè)備在FTO鍍膜玻璃的制備：一層致密的TiO2沉積通過(guò)旋涂法在FTO鍍膜玻璃（溶液處理）與異丙醇鈦在弱酸溶液中形成，并隨后鈣鈦礦吸收沉積在緊湊的TiO2包覆FTO基板中形成。甲基碘化銨（CH3NH3I）和氯化鉛（PbCl2）是從有機(jī)和無(wú)機(jī)前驅(qū)鹽蒸發(fā)得到，觀察到其蒸發(fā)后立即變?yōu)樯钭丶t色。退火的鈣鈦礦吸收劑在旋涂前的空穴轉(zhuǎn)運(yùn)層形成完全結(jié)晶的鈣鈦礦層。旋涂孔轉(zhuǎn)運(yùn)岑形成后，從氯苯溶液形成的光敏層（包括鋰二和叔丁基吡啶酰亞胺鹽作為添加劑），設(shè)備包擴(kuò)銀的金屬電極，通過(guò)熱蒸發(fā)在10-6mbar。材料和器件的制造和表征技術(shù)的全部細(xì)節(jié)，可在使用說(shuō)明中查詢(xún)。所有其他的表征和測(cè)

16、量進(jìn)行之前討論。 2013.9.19 第501期 自然科學(xué)類(lèi) 398©2013 麥克米倫出版社有限公司。版權(quán)所有擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖2 |蒸汽沉積的鈣鈦礦晶體俯視電鏡掃描圖a.鈣鈦礦晶體俯視電鏡掃描圖。b.煅燒退火之后的鈣鈦礦晶體俯視電鏡掃描圖于2012年6月19日投稿，2013年7月25日被采納，2013年9月11日在網(wǎng)上發(fā)表。引用文獻(xiàn)1. Green,M.A.Siliconphotovoltaicmodules:abriefhistoryofthefirst50years.Prog. Photovolt. Res.Appl. 13,447455(2005). 2. Graetzel, M.

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