• 所以也必须研究一些能带合适、吸光能力强的无机氧化物钙钛矿 材料在高效能量转换方面的潜能。
六、具有梯度能带的钙钛矿吸光材料
• 如果能够通过元素替代或掺杂的方法，制备出具有梯度能带的新 型钙钛矿吸光材料，就可以制备类似于多结太阳能电池器件(目前 最高效率已经超过40%)，以较低的生产成本大幅提升其转换效率。
2015年
• KRICT通过沉积致密和均匀的钙钛矿薄膜，制备出最大转换效率大 于20%的太阳电池。
2016年
• EPFL将氧化铷中稳定的铷离子(Rb+)嵌入钙钛矿太阳电池中，将转 换效率提高到21.6%。
2016年
• KRICT和UNIST开发的钙钛矿太阳电池转换效率为22.1%，是目前所 知最高的转换效率。但是单元面积非常小，仅为0.1cm2。
2013年
• 后来，随着工艺不断优化，转换效率仅约半年时间就猛增至15%。
利用序列沉积的方 法制备钙钛矿电池, 改进了原有的一步 制备法, 获得了效率 达 15%的有机金属 卤化物钙钛矿基太 阳能电池。
2014年
• KRICT进一步改进太阳电池材料，用CH3NH3Pb(I(1-x)Br(x))3(x = 0.10.15)作为吸收层材料，将转换效率提高到16.2%。
• 1)卤素八面体共顶点连接，组成三维网络，根据 Pauling 配位多面体 连接规则，此种结构比共棱、共面连接稳定。
• 2)共顶连接使八面体网络间的空隙比共棱、共面连接时要大，允许 较大尺寸离子填入，即使产生大量晶体缺陷，或者组成离子的尺寸 与几何学要求有较大出入时，仍然能够保持结构稳定，并有利于缺 陷的扩散迁移。
钙钛矿太阳电池的主要发展方向
• 提高电池转换效率 • 提高电池稳定性 • 实现环境友好化
Solar cell efficiency chart
起源
• 在备2成0量09子年(试9~制10时m，m)A应ki用hir到o K太oj阳im能a首电次池将中C(HD3SNSHC)3，Pb研I3和究C了H3在NH可3P见bB光r3范制 围内，该类材料敏化TiO2太阳电池的性能，获得3.8%的光电效率。
迅速发展
• 到2011年，研究者将实验方案进行改进优化，制备的CH3NH3PbI3量 子点达到2~3mm，电池效率增加了一倍达到6.5%。
但是由于部分金属卤化物在液态电解质中发生溶解，很大程度上 降低了电池的稳定性与使用寿命，这是该电池的致命缺点。
2012年
• 解决这一问题，就是将Spiro-OMeTAD作为有机空穴传输材料应用 到钙钛矿电池中，换上这种材料后，钙钛矿电池稳定性和工艺重 复性大大提高。
• 一般所说的多结太阳能电池是指针对太 阳光谱，在不同的波段选取不同频宽的 半导体材料做成多个太阳能子电池，最 后将这些子电池串联形成多结太阳能电 池。
七、新的电子/空穴传导材料
• 现在使用的与有机金属卤化物钙钛矿吸光层相匹配的是有机空穴 传输材料Spiro-OMeTAD，而其合成价格很高，目前是黄金价格的 五倍以上。必须寻找更加有效、稳定且廉价的电子/空穴传输材料 来提高钙钛矿太阳能电池的转换效率。
• 以Nam Joong Jeon为首的研究小组对钙钛矿太阳电池的研究达到世界 前沿水平。
UNIST（韩国蔚山科技大学）
• UNIST位于韩国的心脏，最大的工业城市——蔚山。自2009年以来， 其成为世界领先的科技大学。
研究热点和方向
一、钙钛矿极高吸光能力的微观机理
• 钙钛矿吸光材料的最大优点是它的吸光系数很大，吸光能力比传统 染料敏化太阳能电池高10倍以上，到目前为止其微观机理都没有定 论。
材料结构
• 如图为典型的钙钛矿晶 体结构和与之匹配的高 效空穴传导材料结构。
• 其三维层状结构连接稳 定，八面体间隙较大， 有利于缺陷扩散。
典型电池结构
• 金属阴极 • 空穴传输层 • 钙钛矿吸收层 • 电子传输层 • 导电玻璃 • 玻璃衬底
钙钛矿太阳电池的优点
• 载流子迁移率高 • 吸光性能好 • 结构简单 • 低成本温和条件制备
EPFL
• 瑞士联邦理工学院，创办于1853年，在欧洲及世界上都是一所顶尖 的理工院校，在工程科技领域享有极高的声望。
• EPFL光子学和界面实验室物理化学专业的教授米夏埃尔·格雷策尔 (Michael Grätzel)的研究小组在太阳电池ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ域取得了一系列的成果。
KRICT（韩国化学研究所）
• 韩国化学研究所成立于1976年，对韩国化学工业的发展做出了杰出 的贡献，着重研究绿色环保型科学技术。
Perovskite Solar Cell
结构
• 钙理性钛质矿包结构括是绝一缘种、具铁有电、AB反X3铁晶磁型、的巨奇磁特效结应构,，著呈名现的出是丰具富有多超彩导的电物性. 这体种 顶角AB、X3有型机钙甲钛氨矿基结团构位以于金面属心原立子方为晶八格面顶体角核位心置、，卤这素种原有子机为卤八化面 物钙钛矿结构的特点是:
四、制备无铅钙钛矿材料
• 现在的有机金属卤化物钙钛矿材料含有铅元素，在国际许多地方 已被列为禁止使用的材料，如何通过金属元素替代的方法找到同 等或更高转换效率的无铅钙钛矿吸收材料依然是一个巨大的挑战。
五、氧化物钙钛矿太阳能材料
• 除了有机无机复合钙钛矿材料以外，具备高吸光性能的氧化物钙 钛矿材料也引起了大量的关注：
二、光生载流子的产生机理
• 现有的理论解释存在两种机理的争论: 激发电子--空穴对(自由电荷) 机理和激发激子机理，搞清楚光生载流子的产生机理将对大幅提高 其转换效率至关重要；
• 此外，在有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池中是否存在内建电场， 以及内建电场如何在如此低的能耗下驱动载流子输运和分离也是一 个尚待解决的问题。
三、高效能量转换的机理
• 在钙钛矿太阳能电池中，Michael Grätzel 等利用序列沉积方法制备了 分极散 与质 空穴TiO传2 输纳层米之骨间架，，整将个有器机件金由属空卤穴化输物运钙所钛主矿导吸；收层夹在透明电
• 而得了Sn优ait于h 等15则%的利转用换包效覆率钙，钛并矿发的现Al电2O子3 纳输米运介主孔导材了料整来个代转替换T过iO程2，；获 因此，深入研究其中的机理与制约效率是进一步提高的关键因素。