有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池的最新进展和挑战外文翻译资料

 2022-07-08 03:07

英语原文共 27 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池的最新进展和挑战

摘要:我们总结有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池的最新进展。我们讨论用于构建钙钛矿光活性层的不同化合物，以及该体系的光电特性。探讨影响钙钛矿活性层形貌的因素，如材料组成，薄膜沉积方法，溶剂组分和各种后处理技术。最近出现了用于制备高性能钙钛矿薄膜的不同方法，从而产生具有大或小晶粒尺寸的多晶薄膜。总结了使用介观结构和平面异质结结构构建的器件，并讨论了制备工艺对器件效率的影响。最后，概述钙钛矿太阳能电池的重要研究挑战（迟滞现象，热力学稳定性和湿度环境下稳定性，柔性衬底应用以及无铅钙钛矿材料的发展）并讨论了它们的潜在解决方案。

关键词：钙钛矿，太阳能电池，光伏技术，有机金属卤化物，能量捕获

正文：

1 介绍

世界不断增长的能源消耗以及化石燃料供应的减少促使可再生能源的发展。光伏太阳能电池基于光伏效应将太阳光的能量直接转换为电能，因此被认为是富有前景的能源生产途径。已经探索了许多不同类型的太阳能电池技术，包括硅太阳能电池，III-V族太阳能电池，量子点太阳能电池，染料敏化太阳能电池，有机太阳能电池和最近的钙钛矿太阳能电池[1, 2]。由于使用CH3NH3PbBr3[3]和CH3NH3PbI3[4]作为太阳能电池中的敏化剂，这种基于钙钛矿的太阳能电池技术发展引起了人们极大的兴趣。经NREL认证，最新的功率转换效率（PCE）目前超过20％[5]。

钙钛矿太阳能电池的早期研究与染料敏化太阳能电池（DSSC）的工作密切相关，钙钛矿材料吸附在介孔TiO2（mp-TiO2）上用作DSSCs中的染料敏化剂。 使用CH3NH3PbI3染料的液态DSSC的初始效率为3.8％[4]。随后发生了很大的提升，这是因为钙钛矿吸收剂被用作主要光敏层来制备介孔结构的钙钛矿太阳能电池[6]。这发生在2012年，当时，格雷泽尔和帕克等人[6]使用spiro-MeOTAD和mp-TiO2分别作为空穴传输材料和电子传输材料（HTM / ETM），报道的钙钛矿基于固态介观结构太阳能电池首次获得了9.7％的功率转换效率（PCE）。向前迈进的一个重要步骤是使用一层绝缘Al2O3作为介孔结构支架[7–9]而不是使用半导体TiO2[10]。这种类型的太阳能电池（包含半导体或绝缘支架层）可以提供非常高的器件效率，这表明钙钛矿光敏层内具有出色的双极性电荷传输效率。介观结构太阳能电池的一个特征是钙钛矿层沉积在介孔层上，例如TiO2或Al2O3。Snaith等人随后的报告显示，掺入气相沉积钙钛矿层的平面异质结钙钛矿太阳能电池可用于获得具有超过15％的PCE而不需要任何介孔层的器件[11]。从那时起，使用溶液加工的光敏层的平面太阳能电池通过活性层组分调控或界面工程，可以使PCE达到20％左右。更多关于钙钛矿太阳能电池的演变和发展的信息可以在其他综述文章中找到[2,14]。

图一 ：（a）为介孔结构钙钛矿太阳能电池（比例尺为500nm）的横截面SEM图像 [17]。2013美国化学学会版权所有。（b）为具有HTL和ETL的正常平面钙钛矿太阳能电池[59]。2014皇家化学学会版权所有。（c）为倒置的平面钙钛矿太阳能电池[28]。2014美国化学学会版权所有。

钙钛矿太阳能电池（PSC）是一种通常包含衬底，电极，钙钛矿光活性层以及必要的电荷传输层（即空穴传输层（HTL）[15]和电子传输层（ETL）[16]）的结构。 PSCs分为两大类：介孔结构钙钛矿太阳能电池（MPSCs）[17]（见图1（a））其包含介孔结构TiO2，以及平面异质结钙钛矿太阳能电池（PPSC）（见图1（b）和（c））其中所有层都是平面的。在吸收光后，钙钛矿中激子的低结合能导致形成自由电荷载流子，其可以有效地传输到器件电极以进行提取[18, 19]。最近的报道证明钙钛矿中存在激子或电子空穴对[20–23]，但是不清楚这种激子是直接在光吸收过程中形成还是在电荷复合过程中从电子-空穴对重组中形成[24]。通过研究钙钛矿和传统激子半导体中的激子解离，Huang等人证明MAPbI3和MAPbBr3是非激子材料[25]。这表明钙钛矿应该被视为传统的无机薄膜太阳能电池。

由于钙钛矿可以具有双极性电荷传输性质（它们可以传导电子和空穴）[24]，HTL和ETL层不是制造钙钛矿太阳能电池所必需的组成部分[26, 27]。但是，在钙钛矿光伏器件中使用HTL和ETL的层通常导致更高的功率转换效率，这是由于其促进电荷传输并且因此减少电荷复合。在典型的器件中，基底材料由刚性玻璃或柔性聚合物（例如聚对苯二甲酸乙二醇酯PET [28–30]，聚萘二甲酸乙二醇酯PEN [31]）组成，其已涂覆有ITO，FTO或IZO的半透明导电膜。用于器件中不透明背电极材料包括Au，Ag，Al和碳基材料[32–35]。

在这篇综述中，我们首先介绍钙钛矿太阳能电池的组成和光电特性。描述了光敏层的形貌，并且还讨论了材料组成，溶液沉积技术和随后的后处理对器件效率的影响，也讨论不同器件结构的影响—例如界面工程或使用介孔或平面层。综述的最后部分将探讨当前钙钛矿太阳能电池开发的挑战，并将讨论诸如滞后，器件稳定性，柔性衬底应用和实现无铅钙钛矿材料等主题。

图2：钙钛矿的晶体结构图 [11]。2013自然出版集团所有。

2 钙钛矿光敏层的组成

“钙钛矿”通常是指具有与钛酸钙（ABY3[11]）相同的晶体结构的材料[2]，如图2所示。通常，用于PSC光敏层的钙钛矿由有机卤化物—金属杂化物组成。这里，典型的有机阳离子（A）包括CH3NH3 （甲基氨#39;MA#39;）和HC（NH2）2 （甲脒#39;FA#39;），使用的一系列金属阳离子（B）包括二价金属离子Pb2 ，Sn2 ，Eu2 ，Cu2 ，Ge2 等[18,36,37]。这些阳离子已经与包括Cl-，Br-和I-的卤化物阴离子（Y）结合。 通过把这些组分以各种比例组合，可以实现一系列钙钛矿材料，包括MAPbI（3-x）Clx[38–41]，MAPbI（3-x）Brx[42,43]，MAPbBr（3-x）Clx[44]，FAPbI（3-x）Clx[45]，（MA）x（FA）（1-x）PbI3[46, 47]，Csx（MA）（1-x）PbI3[48]，MASnxPb（1-x）I3[49]和（FAPbI3）（1-x）（MAPbBr3）x[12]。这种组合方法为材料开发开辟了一个广泛的发展空间，并且允许钙钛矿光敏层的带隙范围在1.30至2.30eV之间进行调整[14]。在接下来的部分里将详细讨论已深入研究的三种主要钙钛矿化合物（MAPbI3，MAPbI（3-x）Clx和FAPbI3）。

2.1 MAPbI3

最广泛研究的钙钛矿材料体系是甲基三碘化铅（MAPbI3），MAPbI3钙钛矿PSC的现有PCE高达18.1％[50]。MAPbI3钙钛矿最初掺入DSSC的液体电解质中，然而发现它非常不稳定并逐渐溶解在液体电解质中，连续照射10分钟后器件衰减。2011年，MAPbI3量子点（直径2〜3 nm）敏化太阳能电池达到了当时报道的无机量子点敏化太阳能电池的最高效率（6.5％）[51]。2012年，基于钙钛矿的固态器件（FTO / compact-TiO2/ MAPbI3 mp-TiO2 HTM / HTM / Au）被论证表现出更高的效率及稳定性，推动了新型PSC器件的发展[6]。2013年，首次报道了使用MAPbI3前驱体的连续沉积工艺，导致薄膜形态学缺陷更少，器件效率提高15.0％[52]。这为使用其他钙钛矿材料的连续沉积技术的发展奠定了基础。

2.2 MAPbI3-xClx

混合卤化物钙钛矿MAPbI3-x Clx可以通过使用Cl-和I-作为卤化物阴离子来产生。 现已发现与MAPbIx相比，钙钛矿MAPbI3-xClx具有长的电荷扩散长度和优越的的空气稳定性。然而，在MAPbI3-xClx中氯的存在和作用是有争议的。Grauml;tzel[53]表明，MAPbI(3-x)Clx中不存在氯离子掺杂态，因为氯离子是无定形含铅相,在103°C时会熔化。其他研究发现，氯影响钙钛矿的成核动力学，但不是在最终的钙钛矿薄膜中可检测到[54]。有人提出在溶液旋涂期间形成中间MAPbCl3相，但随后在热退火时消失（见图3)。

图3：（a）示出了从MAI：PbCl2（3：1）铸造的钙钛矿膜的沉积期间的成核（顶部），退火期间的相演变和生长（中间）和最终形态（底部）前体溶液。 （b-d）显示了三种代表性形态组分（比例尺：5mu;m）的SEM图像 [54]。2014美国化学学会版权所有。

Williams等人通过检测MAPbI（3-x）Clx热分解过程中的HCl气体证明了MAPbI（3-x）Clx中存在氯[55]。，Unger等[56] 使用X射线荧光测量发现氯存在于晶格内和晶界处或与热退火时与TiO2层的界面处。 因此提出氯在钙钛矿MAPbI（3-x）Clx中充当掺杂剂和表面钝化剂。基于角分辨X射线光电子能谱和第一原理计算，Colella等[57]得出的结论是，钙钛矿层在100℃下热退火之后，氯位于钙钛矿/ TiO2界面附近并且推测这种垂直分层可以引起界面处的能带弯曲，并且促进电子传输和收集（箭头在图中4）。最近，李等[58]研究过MAPbI（3-x）Clx（首先以1：1旋涂PbI2：PbCl2的混合溶液，然后进行退火并暴露于120°C的MAI蒸汽），得出的结论是掺杂氯化物存在于最终的钙钛矿膜中，但它只影响钙钛矿结构而不是费米能级或光载流子寿命。结果表明，MAPbI（3-x）Clx和MAPbI3具有相似的吸收和光致发光（PL）衰减寿命，带隙和费米能级，但具有MAPbI（3-x）Clx光敏层的器件通常导致更高效的PSC。

图4：作为MAPI3和界面MAPbI（3-x）Clx的TiO2表面的距离的综合DOS的等密度图lt;

全文共6950字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[9909]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章