钙钛矿太阳能电池技术与发展.ppt

钙钛矿太阳能电池 ProvskiteSolarCell 2020 2 15WeipingWang 框架 引言钙钛矿晶体结构和光伏特性钙钛矿材料的制备方法与形貌控制钙钛矿太阳能电池的结构优化钙钛矿太阳能电池的稳定性总结 引言 钙钛矿太阳能电池自2009年被提出以来取得了迅猛的发展 其性能甚至超越了其他类型的电池多年的积累 因其有着很好的光吸收特性以及载流子输运特性 同时又是直接带隙半导体材料 特别适合于制作太阳能 在2013年被Science评委国际十大科技进展之一 截至目前 被认证的最高效率已达到22 1 未来仍有望突破 逼近SQ理论极限 PPT模板下载 一 钙钛矿晶体结构和光伏特性1 1历史与发展 索引结果数量 效率由3 8 至22 1 仅用7年相关研究成果这三年发展迅速 被誉为 光伏领域的新希望 索引词 organic inorganicperovskitesolarcell https www nrel gov pv assets images efficiency chart jpg 相变分析容忍因子八面体扭转体积参数法SPuDS软件模拟 一 钙钛矿晶体结构和光伏特性1 2钙钛矿结构 Requirement1 tolerancefact 0 78 t 1 052 octahedralfact 0 44 u 0 90 ABX3 CH3NH3PbI3 离子构成A CH3NH3 NH CH3 位于晶格八个定点B Pb2 Sn2 等金属离子 位于体心X 卤素离子占据面心 一 钙钛矿晶体结构和光伏特性1 3元素调控 调控位置A 膨胀或收缩晶格从而改变带隙MA FA CsB Ge Sn Pb Cu等X 比例掺杂Br I Cl Br等 一 钙钛矿晶体结构和光伏特性1 4电池基本结构 需要多孔层厚度 500nm形貌稳定重复性好回滞不明显易漏电开路电压低 层叠结构厚度 400nm制作简单开路电压高重复性较差形貌不稳定回滞较明显 介孔结构 平面异质结结构 p i n 钙钛矿电池的发展过程 最佳结构 二 钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2 1一步旋涂法 不同前驱液配比PbI2 MAI 不同退火温度 常见参数 溶剂 DMF GBL DMSO配比 PbI2 MAI 1 1 PbCl2 MAI 1 3旋涂速度 2000 4500rpm退火温度 常温 130 C溶液浓度 1M 优点 操作简单应用广泛研究成果多 不同退火时长 不足 对条件特别敏感成膜不均匀覆盖率不高重复性低 二 钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2 1一步旋涂法2 1 1溶剂的选择 DMF 形成针状晶体GBL 形成团簇晶体 DMF DMAc混合溶剂GBL DMSO混合溶剂 混合溶剂能够使钙钛矿材料形成中间相 放缓钙钛矿的结晶速度 形成更致密且均匀的钙钛矿层 二 钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2 1一步旋涂法2 1 2添加剂 不同量的MACl对形貌的影响增加MACl就要相应的延长退火时间 介孔结构 平面结构 其它常见添加剂 NH4Cl 二碘代烷 DIO HBr 水减慢钙钛矿结晶过程 使得原本针状的聚集的晶体变成了较小的晶体 由此实现了大覆盖率 0 0 5 1 0 2 0 不同量的MACl 二 钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2 1一步旋涂法2 1 3快速沉积结晶法 FDC FDC 传统方法 FDC法 晶粒尺寸明显增大 表面平整度提高 覆盖率高 将旋涂后仍潮湿的MAPbI3薄膜中立即投入12种不良溶剂 让DMF迅速被不良溶剂萃取 薄膜中过饱和度迅速升高 成核过程早于晶体生长 二 钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2 1一步旋涂法2 1 4热涂附技术 将热的前驱体溶液旋涂于并稳定保持在180 C的基板上 由于基板温度远远高于结晶温度 过量的溶液延长了晶体的生长 获得了晶体尺寸为1 2mm的钙钛矿薄膜 器件重复性高 最高效率达到18 无回滞现象电荷迁移率大 二 钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2 2分步液浸法 常见参数 溶剂 DMF GBL DMSO溶液浓度 PbI2 1M MAI 5mg ml 旋涂速度 2000 4500rpm浸泡时长 1min退火温度 常温 130 C 优点 重复性好可控性高均一性高形貌易控制 不足 不适用平面结构只能制备200nm厚的钙钛矿平面薄膜异质结电池 实验方法 在多孔层上旋涂PbI2 使其均匀进入多孔层 干燥后 在浸泡于MAI溶液中 反应约1min 用异丙醇冲洗多余的MAI 退火烘干 二 钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2 2分步液浸法2 2 1湿润控制与浸泡温度 退火前 以异丙醇湿润表面 通过精确控制湿润步骤和使用较高的浸泡反应温度 加快钙钛矿晶体的生长 使钙钛矿与空穴传输层之间的界面变得粗糙且连续 湿润时长 粗糙度 钙钛矿与空穴层粗糙的界面加强了光散射实现了器件在长波范围的吸收增强 同时也有利于电荷传输 相应的电池效率达到10 以上 二 钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2 2分步液浸法2 2 2多孔碘化铅 在手套箱中氮气氛围保护下 常温挥发 达到预期PbI2的生长时间后将衬底加热至70 C即可瞬间完全挥发 以此实现在平面基底上构建出具有多孔结构的PbI2薄膜 多孔结构的存在 MAI溶液可以迅速扩散值PbI2薄膜内部的各个空隙 成了互相交错连接的致密晶体薄膜 器件效率得到了显著提升反复多次浸泡能进一步提升晶体质量和颗粒尺寸 并抑制回滞效应 二 钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2 3两步旋涂法 常见参数 溶剂 DMF GBL DMSO 异丙醇溶液浓度 PbI2 1M MAI 0 3 0 6M 旋涂速度 2000rpm反应时长 大于30min退火温度 大于100 C 优点 精确定量方法适用于平面结构可控性高均一性高形貌易控制 不足 退火温度高反应时间长 实验方法 是分步液浸法的衍生 首先旋涂PbI2薄膜 之后在旋涂适量的MAI溶液于其上层 通过后退火的过程实现两层薄膜之间的互相扩散和反应 二 钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2 3两步旋涂法2 3 1形貌优化 影响形貌的参数MAI溶液浓度溶剂退火退火时长 延长退火时间 晶体尺寸增大 在DMF气氛下退火 表面平整 晶粒尺寸增大 MAI溶液浓度 MAI溶液变小 晶粒变大 二 钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2 4气相法 1 优点 薄膜非常均匀且平整适用于平面结构可控性高重复性好 不足 需要对成分精确控制 不易掌握需在真空下进行 成本高不利于大面积制备需要长时间反应不适用多孔结构 气相沉积法 用PbCl2和MAI在真空下进行混蒸辅助气相沉积法 先旋涂PbI2薄膜 烘干后 在MAI气氛下退火 12 1 15 二 钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2 4气相法 2 分步气相法 SVD 将PbCl2蒸镀成平整的薄膜 再在加热的衬底上蒸镀上MAI薄膜闪蒸法 FE 将钙钛矿粉末作为蒸发源 利用较大的电流 瞬间蒸发形成薄膜CVD法 将MAI粉末至于高温段 通过氮气气流 MAI蒸汽到达放置了PbI2薄膜的低温段进行反应 FE CVD SVD 二 钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2 5其他方法 喷墨打印技术 IP 3D打印技术 3DP 超声喷涂 SP 手术刀刮涂 BC 3D打印 手术刀刮涂 喷涂 二 钙钛矿材料的制备方法与形貌控制2 6制备方法比较 三 钙钛矿太阳能电池的结构优化3 1介孔结构PSC3 1 1半导体介孔材料 TiO2 为解决介孔结构上钙钛矿负载量小 表面起伏较大等问题 制作工艺随之发展 一步法 两步法 纳米碳管作为介孔材料 三 钙钛矿太阳能电池的结构优化3 1介孔结构PSC3 1 1半导体介孔材料 ZnO 通过精确调控参数也使得该类型器件效率达到15 7 不需要经过高温烧结 工艺简单可运用雨柔性衬底 钙钛矿形貌 柔性电池 三 钙钛矿太阳能电池的结构优化3 1介孔结构PSC3 1 1绝缘体介孔材料 绝缘体介孔材料仅祈祷骨架辅助成膜作用 不参与载流子输运 在材料选择上具有很大自由度 Al2O3介孔材料 ZrO2介孔材料 SiO2介孔材料 三 钙钛矿太阳能电池的结构优化3 2平面结构PSC3 2 1溶液法 一步法 两步法 三 钙钛矿太阳能电池的结构优化3 2平面结构PSC3 2 2气相法 气相辅助沉积法 12 1 混合共蒸 15 4 三 钙钛矿太阳能电池的结构优化3 3反型结构PSC 光线入射穿过顺序为HTM perovksite ETM不需要经过高温烧结过程 有利于器件向柔性化 功能化方向发展 气相辅助法 引入石墨烯 提高器件稳定性 构造具有波纹状微结构的NiO薄膜 三 钙钛矿太阳能电池的结构优化3 4空穴传输层优化3 4 1传统空穴材料的替代 CuI CuSCN 常制备出的器件效率远低于使用有机空穴材料 使其无法完全替代spiro OMeTAD 三 钙钛矿太阳能电池的结构优化3 4空穴传输层优化3 4 2无空穴层PSC 钙钛矿材料本身具有电子 空穴双重传输性 且载流子扩散距离长 允许不使用空穴材料 首次实现无空穴层制作该太能矿电池 证明该结构的可行性 次年该课题组通过参数控制 将效率提升至10 4 三 钙钛矿太阳能电池的结构优化3 4空穴传输层优化3 4 2无空穴层PSC 碳电极 打印碳电极法 碳电极 ZrO2 无空穴层结构下效率达到6 6 次年 改课题组经过一系列的薄膜改善以后 所制备出的电池效率可达12 8 并表现出了很大的稳定性 三 钙钛矿太阳能电池的结构优化3 5纤维型钙钛矿太阳能电池 优点 三维采光柔性好 抗弯折 不足 效率低 基本结构 中央使用不锈钢丝最为基底 最外侧采用透明电极材料碳纳米管 通过温和的溶液方法 用ZnO阵列取代了TiO2多孔层 提高了钙钛矿材料的空隙渗透率 但是电池效率也仅从3 3 提升至3 8 四 钙钛矿太阳能电池的稳定性 稳定性 材料稳定性 器件稳定性 热稳定性 湿度稳定性 结构的设计 结构的优化 兼顾材料的吸收问题 选择合适的离子 尽量选择疏水性材料 产业化的难点 1 成本 2 稳定性 从大量研究结果来看 通过元素工程设计晶体结构稳定的钙钛矿材料 并结合界面工程实现太阳能电池结构设计的优化 钙钛矿太阳能电池的稳定性问题是完全有希望解决 五 总结 简要介绍钙钛矿的材料特性和制备方法 以及目前国际上关于此类器件制作的研究进展 钙钛矿的结构以及元素调控的钙钛矿材料的制备与形貌调控钙钛矿电池器件的结构优化的钙钛矿电池稳定性的简要说明 ThankYou