钙钛矿太阳电池的碳电极工艺研究文献综述
2020-05-02 17:08:01
随着社会的进步，人口和经济的快速增长，使得人类对能源的需求日益加大，传统的不可再生能源尤其是天然气、石油和煤矿等，已面临日益枯竭的窘境。因此，寻找可持续无污染的清洁能源迫在眉睫，而太阳能具有其他清洁可再生能源所无法比拟的优势。太阳是一个巨大的能源库，它辐射到地球表面的能量高达 40000 GW，相当于每年向地球提供360000 亿吨煤炭，为全球能量消耗的 2000 倍。
2001年著名科学家 Green 将太阳能电池技术的发展划分为三代：第一代是单晶硅为代表的单晶太阳能电池；第二代以碲化镉(Cd Te)、铜铟镓硒化物(CIGS)和多晶硅为代表的低成本薄膜太阳能电池；第三代是基于新材料和纳米技术的新型太阳能电池。第一、二代太阳能电池的光电转化效率都已超过 16%，并且部分已实现了商业化，但也存在一些问题，例如生产耗能大（硅太阳能电池，纯度gt;99.999%），原料稀缺（如 Cd Te 和 CIGS）以及随之而来的环境污染问题等。第三代新型太阳能电池，其主要的杰出代表为染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池。由于钙钛矿太阳能电池（PSCs）具有制备工艺简单和高转换效率，其研究吸引了广泛关注。虽然 PSCs 的优点很突出，但稳定性差严重限制了 PSCs 的商业化应用，解决器件稳定性问题成为现在研究的重点。
在 2009 年 Miyasaka 课题组首次将有机-无机卤化的钙钛矿引入到 DSSCs 中，其光电转化效率为 3.8%。2011 年 Park 等将钙钛矿引入到量子点太阳能电池中，其光电转化效率为 6.5%。2012 年 Snaith 等人报道了利用最简单的一步溶液法制备了以介孔 Al2O3 为支撑骨架的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池，其光电转化效率为 10.9%。2013 年，Snaith 小组报道了利用气相辅助法制备平面异质结结构的钙钛矿基太阳能电池，其光电转换效率为 15.4%。2014 年，美国加州大学洛杉矶分校材料学家 Yang Yang通过表面修饰来 制备的MAPb I3-x Clx 吸光膜获得的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率达到 19.3%。2016 年Gratzel 实验室引入无机铯元素，得到的电池稳定性和吸光膜的质量都更好，得到的光电转化效率为 21.1%。
相较于国外，国内对有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的研究相对较晚。在 Snaith和 Gratzel等人的研究报道之后，国内才展开了相关的研究：香港科技大学杨世和等人是国内第一个报道 TiO2纳米线阵列结合 CH3NH3PbI2Br 作为吸光层的研究小组，他们制备的钙钛矿太阳能电池的光电转化效率为 4.87%。2012 年，Gratzel 等人经过负载实验，发现将有机-无机钙钛矿型太阳能电池封装后，在光辐照下连续使用 500h后仍然保持在其初始光电转化效率的 80%以上。王娜娜等在化学学报上说钙钛矿是超越光伏应用的“梦材料”，到目前为止已发表了有数千篇论文。此后，全世界立刻刮起了研究有该类钙钛矿太阳能电池的热浪。
{title}2. 研究的基本内容与方案
{title}在常规钙钛矿太阳能电池(PSCs)中，通常使用有机P型半导体作为空穴传输层，并使用贵金属作为电极。而有机空穴传输层spiro-MeOTAD不仅价格昂贵而且稳定性较差，贵金属电极则往往需要高真空设备进行制备，不适合商业化大规模生产。因此，选择优异的背电极材料不仅可以保证电池的性能，还可以提高电池稳定性。本设计主要内容是制备适合钙钛矿太阳能电池的碳电极研究，并研究碳电极制备工艺、制备过程及热处理等对电池性能的影响规律。
拟采用热压法制备钙钛矿太阳能电池：选择导电性和柔韧性较好的可热压碳膜，使其能够与钙钛矿吸光层能够充分接触。使用快速结晶法制备钙钛矿吸光层，并选择了较优的退火温度。优化热压温度和时间，使碳膜与吸光层有更好的接触。
围绕如何利用碳材料应用与钙钛矿太阳能电池的电极制备，从而降低制备的成本进行了一系列的探索性研究，主要的研究内容是开发适合于钙钛矿太阳能电池电极制备的碳材料，并研究其结构、制备方法及加工工艺对钙钛矿太阳能电池性能的影响。这对简化钙钛矿太阳能电池的结构、进一步节约电池制备工艺中的成本并最终实现大规模的产业化生产提供了一定的支持。
3. 参考文献[1]郭莹，钙钛矿太阳能电池碳背电极的制备[D]，大连理工大学硕士学位论文,2015.
[2]王言芬, 碳基钙钛矿太阳能电池的制备与界面研究[D], 哈尔滨工业大学硕士学位论文，2016.
[3]Chenxi Zhang, Yudan Luo, Xiaohong Chen et al. Effective improvement of the photovoltaic performance of carbon-based perovskite solar cells by additional solvents[J]. Nano-Micro Letter, 2016, 8(4):347-357.
