1.2 钙钛矿太阳能电池

1.2.1 钙钛矿太阳能电池简介 

钙钛矿太阳能电池的基本结构主要包含：钙钛矿吸光层，电子传输层，空穴传输层和电 极材料，如图 1.2 所示。其中电子传输层一般为致密的 TiO2 纳米颗粒以阻止钙钛矿层中的载 流子于 FTO 层中的载流子复合。钙钛矿太阳电池发展发展经历了敏化结构、介孔结构、柱状 填充以及平面异质结等四个阶段，目前钙钛矿太阳能电池主要是平面异质结结构。该结构中 的钙钛矿材料能够同时给电子和空穴提供传输通道，这种结构的钙钛矿太阳能电池结构简单 而且有着较高的光电转换效率。

钙钛矿太阳能电池发光的主要物理过程及原理可以总结为：当太阳光照射到电池上时， 钙钛矿层首先吸收能量大于钙钛矿材料的禁带宽度的光子，产生电子空穴对，由于钙钛矿材 料的激子束缚能非常小，所以大多数电子空穴对能够成为自由载流子。并且钙钛矿材料有着 较高的载流子迁移速率和较低的载流子复合率，[12]所以这些自由载流子的平均寿命较长。然 后，这些未复合的自由载流子分别经过空穴传输层和电子传输层到达电极，形成回路，实现 光电转换。

我们所做的一维钙钛矿太阳能电池就是将传统的钙钛矿薄膜吸光层替换为一维的钙钛矿 纳米线吸光层。这样可以提高太阳能电池的吸收效率。众所周知，太阳能电池的发电效率与 吸光材料的吸光能力有着直接的联系，而一维钙钛矿材料的吸光能力比薄膜材料要高很多， 因为量子限域效应，一维有机卤化物钙钛矿有着更小的禁带宽度，所以对近紫外-可见光-近 红外光的吸收比薄膜材料多。 

图 1.2 钙钛矿太阳能电池结构示意图，HTM 代表空穴传输材料目前比较常用的制备钙钛矿纳米线的方法是在钙钛矿薄膜的基础上进行的。Horváth E 等 人采用在双玻璃片中滴加钙钛矿溶液的方法能制备出一维的钙钛矿纳米线，[13]但是这种方法 操作比较困难需要很好的技巧并且不是单纯的一维纳米线还夹杂着部分体钙钛矿。在此基础 上，根据 Zhu P 等人的报道[6]。首先用一步法在玻片上旋涂一层钙钛矿薄膜，在薄膜上滴加 混合溶剂制备纳米线，整个过程为两步法。具体步骤：将 PbCI2  和 CH3NH3I 按摩尔比率 1：3 溶解到二甲基甲酰胺（DMF）中（质量比为 40%）。再将该溶液旋涂到玻片上，之后进行 热处理。接下来在钙钛矿薄膜上旋涂一层混合溶剂（DMF 和异丙醇），并且随着溶剂的蒸发 纳米线会形成。我们认为这是一种溶解—重结晶的过程。在这一过程的最初阶段，钙钛矿薄 膜会被混合溶液快速的溶解掉（由于钙钛矿在 DMF 中高的溶解度）。旋涂过程中随着溶液的 快速蒸发，溶液将快速的达到过饱和并且成核，钙钛矿晶体也会开始生长。在分解和结晶阶 段，由于溶液的残余量不同，钙钛矿薄膜的颜色会从深棕色变为白色，最终变为橙色。在对 基片在 95℃下进行 3min 的热处理后，由于完全去除了过剩溶剂，橙色的表面将会变成深棕 色。这表明了转换完全和纳米线结晶。已经证实的是不管钙钛矿的成分和合成方法，这一转 换过程都是普遍存在的。

1.2.2    钙钛矿太阳能电池的性能参数

钙钛矿太阳能电池是基于 pn 结的光生伏特效应工作的，即当适当波长的光照射在非均匀 半导体上时，由于内建电场的作用半导体内部产生电动势。由此可知，当太阳能电池工作时， 一共会产生三种电流，即光生电流 IL，在光生电压作用下产生的电流 IF，以及流经外电路的 电流 I0。根据 pn 结的整流方程在光生电压 V 的作用下通过 pn 结的正向电流如式 1-1 所示。 一维卤化物钙钛矿纳米材料的制备与光电性能研究(4):http://www.chuibin.com/wuli/lunwen_205274.html