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一文了解有机卤化铅钙钛矿太阳能电池(1)

一、引言

随着化石能源的逐渐枯竭及其导致的环境污染问题日益严重,人类对太阳能的需求日益迫切,太阳能的有效利用成为人们关注的焦点。目前已经市场化的硅太阳能电池,制作工艺繁琐复杂,成本较高,且回报周期较长[1]。新型有机卤化铅钙钛矿太阳能电池凭借其优异的光电性能受到人们的广泛关注,并成为太阳能电池领域的研究热点,其公证的光电转化效率已达20.1%[2]。在钙钛矿太阳能电池中,为提高电池的光电转换效率,光吸收及光电转换最为重要。有机卤化铅以其优异的吸光特性,被广泛用于钙钛矿太阳能电池的光吸收剂。

表1典型卤化铅钙钛矿太阳能电池的性能比较[3]

二、有机金属卤化物

有机金属卤化物类钙钛矿化合物通用分子式为ABX3,其中A、B分别为两种体积差别很大的一价和二价阳离子,X为卤素阴离子。理想对称结构下,其中的A离子和B离子分别与X阴离子形成12和6配位结构。在[BX6]八面体结构中,B离子占据了八面体的中心,被位于顶点处的X离子环绕,如图1所示。

图1钙钛矿的结构示意图:A为一价阳离子,B为二价阳离子,X为卤素离子[4]

为保持钙钛矿晶体立方稳定性,相应的离子体积有严格要求:轻微的膨胀或扭曲就会使晶体构象改变,A离子或B离子的配位数减少,造成晶体电、磁性质的变化。通过改变阳离子可以调节钙钛矿物理性质。有机金属卤化物钙钛矿中,有机阳离子可以是脂肪族或者芳香族胺类,金属离子为二价阳离子。如ⅣA族金属离子Ge2+,Sn2+,Pb2+的钙钛矿具有良好的光电性能;相比于有机卤化锡,有机卤化铅载流子迁移率低,但钙钛矿型有机卤化铅具有独特的光学性质。钙钛矿型有机卤化铅结构中的[PbX6]八面体可以构成三维或二维结构(层状、网状结构,如图2所示),对应的分子式分别为(RNH3)2PbX4和(CH3NH3)PbX3(X为卤素离子)。三维结构比二维结构的能带隙更低,相应的激子结合能更低,更有利于光捕获[5]。

图2钙钛矿三维及二维网状结构示意图:A为芳香族或脂肪族单价阳离子,B为二价阳离子,X为卤素离子[5]

光电转化材料应满足在可见光到近红外光区有广泛且强烈的吸收。太阳能电池中半导体的合适带宽在1.4eV左右,CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbI3的带宽分别为约2.25eV和1.55eV,因此合理降低有机卤化铅的带宽有利于光电转化效率的提高。降低钙钛矿带宽的方法有:1)增加BX6网络的维度;2)增加B-X-B的键角;3)减小阴离子的电负性;4)减小金属阳离子B和阴离子之间的有效电负性的差别。在钙钛矿结构中,A离子的大小能引起整个的八面体网络结构发生畸变,使得晶格发生膨胀或压缩而引起B-X键的长度变化,这是决定带宽的重要因素。

三、有机卤化铅

有机卤化铅比有机卤化锡更适合作为光敏化剂。研究发现:晶格常数和吸收光谱随着卤素离子的变化而发生变化。对于MAPbX3(甲胺基卤化铅)而言,依X的变化(Cl,Br到I),卤素离子的电负性降低,B-X键的共价性质增加,相应吸收光谱发生红移。混合两种卤素(I-和Br-,或者Br-和Cl-)离子可以实现有机卤化铅带隙的连续调节,吸收光谱几乎可以覆盖全部可见光范围。

有机卤化铅包括三类:

(1)有机碘化铅:甲胺碘铅(MAPbI3,MA=CH3NH3+)是应用于光电转化最成功的钙钛矿材料,带宽为1.55eV;

(2)有机溴化铅:甲胺溴铅(MAPbBr3)与碘化物相比,输出的电压更高,但光吸收能力减弱;

来源:材料牛
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