钙钛矿太阳能电池的光物理
摘要
溶液制备法制备的有机-无机杂化钙钛矿型太阳能电池，是光伏领域的一种新型太阳能电池新型材料，其光电转换效率已经超过17%，并且在该领域产生了巨大影响。这篇文章中，在这类新的光伏材料中，关于载流子动力学和电荷转移机制中的光物理和新的发现，进行了检验和提炼。一些开放性物理问题也将被讨论。
关键词：甲基氨碘化铅，钙钛矿型太阳能电池，光物理，瞬态吸收光谱，电荷动力学，电荷转移机制
1.引言
有机无机杂化钙钛矿型太阳能电池（或简单的钙钛矿型太阳能电池）是在低成本光电池的研究中的最主要的突破。在这大约5年的期间里，这些溶液加工制备的太阳能电池成为第三代太阳能电池的先驱，比如有机太阳能电池，染料敏化太阳能电池，量子点太阳能电池。尽管，在最近举行的材料研究学会2014春季会议报告中声称，电池的转化效率已经达到了19.3%，但是到目前为止，能够证明确定的记录是17.9%，而在2009年，这个记录只有3.8%。相比较而言，染料敏化太阳能电池需要二十多年的研究才超过10%的转化效率。尽管在器件性能的显著增加，但钙钛矿型太阳能电池中的光物理机制仍然是不明确的。在本文中，我将首先简要地回顾了目前的钙钛矿型太阳能电池领域的进展，然后追踪一下光物理研究的发展。我还会强调一下钙钛矿中电子和空穴的扩散长度，CH3NH3PbI3的热空穴冷却动力学
和放大自发辐射的发现。最后，在这些材料中，一些关于光物理的问题也会进行讨论。
2.有机无机钙钛矿太阳能电池
2.1 三维的有机无机钙钛矿电池的结构
钙钛矿是一般化学式为AMX3 化合物的总称。A阳离子在立方晶胞的8个角上，M阳离子被6个X阴离子包围，位于[PbI6]4- 八面体的中心。如图1，CH3NH3PbI3情况。尽管钛酸钙的通用名称有着相同的“钙钛矿”标签，但有机无机钙钛矿材料与他们同名仅仅是因为他们的结构。在纳米科学发展的19世纪80年代，这类杂化材料能够形成三维（3D）到零维（0-D）与[PbI6]4- 八面体单元的类似物，直到把晶胞已作为广泛应用在半导体介观量子限制效应模型而深入研究。CH3NH3PbX3 （其中x是Cl，Br，I）是广泛调查的光伏材料的选择，这个材料由3D八面体网状结构形成。
2.2该领域和基本器件结构的概述
光电池CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3 的应用可以追溯到2009年T. Miyasaka及其合作者所开展的工作，他们把这些材料作为光吸收材料，在TiO2介孔层和卤化物电解质上面，达到了3.18%的光电转换效率。随后在2011年，N.G Park和他的合作者将这种液态电解液钙钛矿电池进一步优化，使效率达到了6.45%，然而，材料的稳定性以及容易在液体中溶解的性质为这些早期的电池带来了麻烦。在2012年，N. G. Park, M. Gr?tzel 在电池的稳定性和效率上取得了重要的突破，实现了9.7%的光电转换效率。接下来的工作，H. J. Snaith,
T. Miyasaka和他们的合作者使用混合的卤化物CH3NH3PbI3-xClx 分别做在TiO2介孔层和Al2O3层，其中用惰性的Al2O3层作为支撑层的电池转换效率达到了10.9%这一发现，说明了钙钛矿N型半导体的特性。M. Gr?tzel 和他的合作者的工作，使钙钛矿材料的双极性质更加明显，他们制备了没有空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，使转换效率达到5.5%，（说明了P型半导体的特性）。
图2.A是介孔钙钛矿电池无空穴传输层的示意图。B是薄膜装的钙钛矿太阳能电池。
接下来关于太阳能电池的转换效率取得具有里程碑意义的提升，是由M. Gr?tzel和他的团队实现的。他们使用两部法在介孔TiO2层上制备钙钛矿层。接着H. J.和他的团队用气相沉积法制备的平面异质结太阳能电池，达到15.4% 的转化效率。接下来，进行一系列的改进的器件性能的尝试，不久之后，效率逐步提高，（15.6% 15.7% ；
15.9% ，最终，在2014年初，达到了认证报告的17.9% 。
图2 适当的总结了最常见的钙钛矿太阳能电池的器件的结构类型。介孔结构的钙钛矿太阳能电池是利用旋涂法或两步法工艺制备的。而平面异质结结构钙钛矿太阳能电池，采用旋涂或气相沉积法制备的。
3.有机-无机材料的光物理性质的研究
尽管与钙钛矿太阳能电池的效率取得了很大的进展，对这些电池中基本的的光物理原理的了解仍然是非常不足的。为了充分认识到这些钙钛矿电池所蕴藏的潜力，研究光物理的特性以及器件的优化方
法，从而更进一步理解他们基本的光电特性。光谱学家运用系列光学光谱学技术去描述这些材料和器件光学特性以及电荷动力学机制。这些范围从无处不在的吸收光谱到更复杂的泵浦-瞬间吸收技术，太赫兹光谱和光电导谱。我将首先讨论钙钛矿的本征特性，接着我将讨论钙钛矿太阳能电池的薄膜的电荷动力学和电荷转移机制。
3.1钙钛矿薄膜的光激发的种类
现在主要的光伏材料，具有较大的吸收系数（500 nm波长）和相当大的激子结合能，（Eb与大于室温的热能量25 MeV），技术从光吸收和磁吸收以及随温度变化的光致发光（PL）[日]和温度依赖性吸收光谱已被用来估计Eb。CH3NH3PbBr3和混合卤化物系统的更大的结合能表明了，卤素的替换产生了激子更加紧束缚的性质。钙钛矿Eb 对于太阳能电池之所以有意义是因为，他暗示着基本的激发种类,不管是光激发后作为自由载流子的存在还是束缚电子空穴需要进一步的分离，这在随后的电荷提取机制和器件结构都有重要的关系。我们做了钙钛矿电池 CH3NH3PbI3 和CH3NH3PbI3-xClx 的一些工作，是关于阐明第一激发的物质是激子还是自由载流子。V. Sundstr?m和他的团队，在2ps一下的光激发情况下，研究CH3NH3PbI3，使用时间分辨太赫兹光谱去揭示电子空穴对的分离形成更高能级的移动电荷的证据。在另一方面 A. Petrozza 和他的团队，在光伏器件的工作条件下，通过温度依赖性的吸收和数值模拟自由电荷和激子的对比，来阐释激子完全分离，来研究激子的结合能。在最近，V.
Sundstr?m和他的团队发表了一项最新的研究成果，他们发现，钙钛矿材料的激子的分离是与温度有一定关系的，并且在室温下，效率是小于100%的。我们最初对光激发机制的了解还是远远不够的，在进一步的研究之后，对于在目前和新的钙钛矿系统中，激子和自由电荷的分布的动力学相互作用和关系，有了进一步的认识。
3.2 钙钛矿薄膜的长程和平衡的电子空穴的扩散长度
2013年，当高效的基于钙钛矿结构的器件，在器件结构的长距离方面被报道的时候，钙钛矿双极电荷传输的迹象开始显现出来。作为一个吸收层（是在介孔TiO2光阳极和空穴传输材料HTM层之间的一层比较薄的钙钛矿层）钙钛矿材料有很好的表现。钙钛矿太阳能电池使用绝缘的Al2O3做支架来代替TiO2光阳极材料的实例表明，钙钛矿也可以作为吸收剂和用来电子传输。不用空穴传输层的钙钛矿电池可以用来作为吸收剂和空穴传输。
基于这些报告，.C. Sum 和N. Mathews的团队们合作，设计了一项淬火实验，实验利用CH3NH3PbI3具有选择性的电子和空穴提取的异质结飞秒瞬态光谱（时间分辨的光致发光和瞬态吸收），来研究这种材料的电子和空穴的动力学。利用扩散模型和保守的近似，我们的结果显示了用溶液处理的CH3NH3PbI3 ，其平衡和远程电子空穴的扩散长度至少为100纳米。
同样，使用相同的荧光淬灭法， H. J. Snaith 和他的团队，CH3NH3PbI3的电子空穴扩散长度和我们的一致，此外，他们报道的
扩散长度，卤化的CH3NH3PbI3-xClx比 CH3NH3PbI3 更长。但是目前还没有更加明确的原因来解释这个差异。然而，最近V. Sundstr?m 和他的团队使用微波电导率来监测光电导动力学而不是光致发光衰变，发现光生载流子扩散长度可以超过5μm。 H. J. Snaith 和他的团队最近还研究了 HC(NH2)2PbI3系统（甲级阳离子是有较大的阳离子取代），并且发现虽然他们的电子和空穴扩散长度比较长，效率也达到了14%，但他们在HC(NH2)2PbI3 不平衡。尽管对于CH3NH3PbX3 系统，其平衡性的特征是独特的，但是，这些工作证明了钙钛矿的电子空穴扩散长度确实比大多数水溶液处理的通常为10nm长度的材料更加长一些。较长的扩散长度让电荷在他们重组之前能够提取出来。因此，这些钙钛矿太阳能电池的效率更高。
L. M. Herz和H. J. Snaith 合作，利用瞬态thz光谱，来研究长电子空穴扩散长度的起源，解释载流子的迁移率。单分子层（第一阶，即，从成双重组激子和/或陷阱或杂质辅助重组）和双分子（二阶）电荷载体，后者的速度比计算的慢四个数量级。然而，三维复合的速率，比高度掺杂的硅晶片更高一些，但与强约束的胶子量子点相比。电荷载流子迁移率的下限值分别是11.6 cm2V-1s-1和 ~8 cm2V-1s-1。这对于溶液处理的钙钛矿而言是非常高的，是介孔TIO2层的20倍大。电子空穴扩散长度的起源来自这些钙钛矿中，从低的电荷载流子的复合率和高的载流子迁移率的的结合。这些结果与最近V. Sundstr?m和他的合作者进行的一项研究是一致的，他们使用光致发光光谱和瞬态微波光电导谱技术，研究温度对CH3NH3PbI3薄膜
激子解离和复合和载流子迁移率的影响，他们发现在室温下的载流子迁移率很高，由于声子散射的抑制，会随着温度的降低而增高。另外，他们的工作有助于降低双分子重组率，计算出的朗限–75 MeV活化能是需要在启动第二阶电荷复合钙钛矿。这些详细的对基本物理过程的了解是优化新的钙钛矿材料光伏应用的关键。
3.3 热控冷却，多粒子过程，放大的自发辐射和钙钛矿薄膜的激光
T. C. Sum和同事研究了CH3NH3PbI3系统。早期中的载流子动力学，飞秒TAS选择400 nm和600 nm泵浦激发的测量（密度＜1.3μJ/cm2）和WLC探头发现慢0.4 PS热孔的冷却过程中从更深的层次上VB2（下面的价带边（VB1））以VB1–见图4（a），（b）和（c）。因此，可以制作HTM能级，在他们冷却至Vb之前，有效提取这些高空穴的能量。这可能有超过理论限制的优势。在这一方面进行进一步的研究，我们意识到，由于他们得光吸收系数和电荷唱的扩散长度，钙钛矿系统的载流子动力学在泵浦能量密度的依赖性还是很强的。在钙钛矿材料超快光谱的泵浦能量密度控制，是研究他们内在的光物理性质必不可少的。多粒子俄歇（第三阶）的重组过程中成为主导泵注量＞2.6μJ/cm2。事实上，我们最近发现，在泵注量＞12μJ/cm2，放大的自发辐射（ASE）盛行甚至outcompetes俄歇过程[ 6 ]–可能通过电子空穴等离子体允许光学增益发生。低阈值ASE源于大的吸收系数，低的缺陷密度和相对较慢的螺旋体重组。通过时间和能量依赖的光致发光光谱，L. M. Herz和同事表明ch3nh3pbi3 xclx具有发
射线宽展宽适合放大飞秒脉冲，这一发现进一步支持我们的观察。然而，我们光学增益的示范，自然形成的钙钛矿晶体中波长可调谐的放大的自发辐射的例子说明，好太阳能电池也是一个很好的光发射器。使用一个分布式布拉格反射器，hj.smith和RH合作证明了激光，见图四。因此更具体的说，光致发光或更明确的说，钙钛矿材料器件的电发光量子效率可能是优化新的盖天矿材料的关键因素。
3.4钙钛矿薄膜的光物理过程的总结
图5显示了一个在钙钛矿薄膜里，各种包含光物理过程和松弛的机制的广泛物理过程和相互作用的体系。在低光的光强度的光致激发，产生的电子空穴对，将迅速形成高度离域的激子。他们的结合能量与室温下的热能量。激子的自发的解离就会发生，导致在膜上激子和自由的载流子共存。单分子会一维的复合过程，就像束缚的电子空穴对，和陷阱辅助的复合其实是微不足道的。在较强的光照强度下，双分子的复合过程比如自由电子和空穴的复合，也在至少2-4阶，低于计算出的L复合。多粒子的重组过程是显性的，最终失去了ASE /激光在更高的泵浦能量密度。可能是从电子空穴等离子体形成的光学增益。然而，在裸露的钙钛矿薄膜上，没有电子提取出来，激发的物质（激子和自由载流子）有辐射（发光）或者在钙钛矿中，没有辐射过程。
通常情况下，在太阳光照条件下，（低密度的激发，俄歇复合或ASE会强烈抑制）。在非辐射途径（成双重组，陷阱辅助复合和俄歇复合）弱或不活跃的太阳光强度下，这是可以理解的是，这些钙钛矿
材料可以作为优秀的光伏和发光材料。
4.钙钛矿型太阳能电池中的电荷转移机制
在2012年，N. G. Park和他的团队对钙钛矿太阳能电池，做了一篇开创性的论文，使用飞秒瞬态吸收光谱，对最早的CH3NH3PbI3/TiO2太阳能电池的电荷分离过程的动力学进行研究。然而，在工作中还没有发现有效电子注入到传输层，因为从钙钛矿的受激辐射中有部分重叠的信号，在2014年，JE和他的团队和M. Gr?tzel 与他的团队，解决了这个问题，他们解释了在钙钛矿中电子传输的机制。通过红外探测，直接观察钙钛矿本身的载流子分布的衰退，成为了可能，从而避免早前研究所遇到的谱线的重叠。对电子从CH3NH3PbI3空穴注入到TiO2 （HTMspiroOMeTAD），同时出现在类似的超快时间尺度进行了研究。
目前，问题是，（1）在穿过TIO2介孔层或者钙钛矿本身，电子的收集效率是否更高。（2）在钙钛矿电池开始启动的时候，什么方法会使器件有更高的效率， H. J. Snaith 和 T. N. Murakami合作，使用瞬态光电流的测量，发现绝缘的Al2O3基的器件比TiO2的电荷收集更快些，这一结果表明，钙钛矿本身输送负电荷的能力比介孔TIO2更加有效。V. Sundstr?m 和他的团队在最近的研究支持了这项工作，他们使用时间分辨太赫兹光谱发现，尽管电荷注入介孔TIO2层是有效的，但是，CH3NH3PbI3/TiO2的电子迁移率却比纯CH3NH3PbI3和CH3NH3PbI3/Al2O3慢3-4倍，这可能导致电荷运输的不平衡。另一方面，, Marchioro等人的结果表明，与太阳能电池HTM
一起，利用TIo2作为电子受体和传输。他的瞬态吸收光谱表明，TiO2／ch3nh3pbi3 / HTM样本的长寿命电荷的数量是高于Al2O3／ch3nh3pbi3 / HTM样品的，表明前者有更有效的电荷分离。此外，与氧化的HTM的电荷复合，也发现，TIO2层比ALO3更慢。这些问题的答案也许是不平凡的，因为钙钛矿电池中电荷的提取决定于电子复合和分离速率的比率。在运行的太阳能电池中，在施加电压不同的情况下，关于界面的电荷动力学和光谱测量的研究是迫切需要的。
5.结论与未来展望
有机无机杂化钙钛矿是一类新的具有显著的光捕获性能的材料。尽管在这种低成本水溶液处理的太阳能电池的高效率是很有前景的，但是，目前主要实践的障碍包括高性能电池中铅的存在和
在湿气环境情况和紫外线辐射情况下器件的退化。这一领域的迅速发展，对光电转换效率的改进是很困难，因此，充分了解光物理过程对于更进一步的优化器件变得越来越重要。超快光谱技术仍然是载流子动力学和在这种电荷复合主要探讨光物理研究。除了瞬态吸收光谱，在纯薄膜和异质结中，时间分辨光泵和太赫兹探测器光谱对于监测早期的激子和自由载流子动力学也非常有用。这些研究可以对器件物质的相关性，在更长的时间尺度上，在瞬态微波光电导的测量方面进行拓展。泵推探针，双激励光谱可以用来研究较高的电子态及电荷传输的作用。场的调制技术，如场辅助泵浦-探测光谱，也可能导致，在器件条件下，新的激子解离和自由载流子在电荷输运方面的的动力学相互作用。在这些晶体钙钛矿中，在一些制备方法中（例如，单次旋
涂；两步浸泡；或热蒸发），其形态，膜覆盖和湿润性的影响，这些因素对于载流子的动力学和器件性能的影响是深远的。在薄膜和器件上，系统的超快光学光谱研究界面电荷输送动力学的的研究中，运用各种方法，来研究电荷输运的机制。钙钛矿有发生温度相变的依赖性，（例如CH3NH3PbI3在327K或54度的情况下由四角变成立方）。在接近1这种情况下的转变，研究温度对载流子动力学的影响是非常重要的。随着越来越多的团体参与研究，现在存在的问题：（1）激子和自由电荷分布和他们在电荷分离，复合，运输的动力学相互作用和影响。（2）界面电荷的动力学和介孔TIO2的注入机制，钙钛矿/半导体的纳米结构；（3）钙钛矿/石墨接口；（3）电荷分离的高能态问题会被解决的。从光物理研究所获得的成果将会在在更进一步优化钙钛矿中得到反馈。例如（ HC(NH2)2PbI3，CH3NH3SnI3）的开发。通过超快光谱，了解结构和功能的关系，是钙钛矿电池的最好发展，使效率达到20%的目标的关键。
致谢
感谢NTU 的M4080514启动基金的财政支持，SPMS协同研究奖m4080536。教育部MOE2013-T2-1-081基金，新加坡国家研究部通过可持续能源新加坡伯克利基金会的项目。
浅谈钙钛矿太阳能电池技术与进展 全华锋BY619102 摘要：基于钙钛矿材料(CH3NH3PbI)制备的太阳能电池的效率由2009年的3.8%增长到了目前的20.2%，因为其较高的光吸收系数，较低的成本以及易于制备等优势引起了广泛的关注。钙钛矿材料不仅可以作为光吸收层，还可以作为电子传输层(ETM)和空穴传输层(HTM)，由此可以制备不同结构的钙钛矿太阳电池：介孔结构、介观超结构、平面结构和有机结构等。除此之外，钙钛矿材料的制备方法的多样性也使其更具吸引力，目前已有一步溶液法、两步连续沉积法、双源共蒸发法和溶液—气相沉积法。本文主要介绍钙钛矿太阳电池的发展历程、工作原理、薄膜的制备方法以及各层的作用，最后对钙钛矿太阳电池面临的问题和发展前景进行介绍。 关键词：钙钛矿材料；太阳电池；光吸收层 1.钙钛矿太阳电池的发展历程 随着人类社会的不断发展与进步，由工业发展带来的能源和环境问题日益明显，化石燃料（石油、煤炭、天然气等）的有限储量及其燃烧带来的全球变暖问题使人们不得不去寻找和开发环保且可再生的新型能源。太阳能来源丰富，取之不尽，用之不竭，而且太阳能绿色环保无污染，是未来有希望获得大规模应用的新能源之一，受到国际社会的广泛关注与研究。将太阳能转换为电能的重要器件之一就是太阳电池。 2009年，日本人Kojim等首先将有机-无机杂化的钙钛矿材料应用到量子点敏化太阳电池中，制备出第一块钙钛矿太阳电池，并实现了 3.8%的效率。但这种钙钛矿材料在液态电介质中很容易溶解，该电池仅仅存在了几分钟级宣告失败，随后，Park等人于2011年将CH3NH3PbI纳米晶粒改为2-3nm，效率达到了6.5%。由于仍然采用液态电解质，仅仅经过10min，电池效率就衰减了80%。为解决钙钛矿的稳定性问题，2012年Kim等人将一种固态空穴传输材料(spiro-OMeTAD)引入到钙钛矿太阳电池中，制备出第一块全固态钙钛矿太阳电池，电池效率达到了9.7%。即使未经封装，电池在经过500小时后，效率衰减很小。空穴传输层(HTM)的使用，初步解决了液态电解质钙钛矿太阳电池不稳定和封装困难的问题。随后Snaith等首次将Cl元素引入到钙钛矿中，并使用Al2O3代替TiO2,证明钙钛
一.引言： 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不产生任何的环境污染。 当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的太阳能电池制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。 全球太阳能电池产业1994-2004年10年里增长了17倍，太阳能电池生产主要分布在日本、欧洲和美国。2006年全球太阳能电池安装规模已达1744MW，较2005年成长19％，整个市场产值已正式突破100亿美元大关。2007年全球太阳能电池产量达到3436MW，较2006年增长了56%。 中国对太阳能电池的研究起步于1958年，20世纪80年代末期，国内先后引进了多条太阳能电池生产线，使中国太阳能电池生产能力由原来的3个小厂的几百kW一下子提升到4个厂的4.5MW，这种产能一直持续到2002年，产量则只有2MW左右。2002年后，欧洲市场特别是德国市场的急剧放大和无锡尚德太阳能电力有限公司的横空出世及超常规发展给中国光伏产业带来了前所未有的发展机遇和示范效应。 目前，我国已成为全球主要的太阳能电池生产国。2007年全国太阳能电池产量达到1188MW，同比增长293%。中国已经成功超越欧洲、日本为世界太阳能电池生产第一大国。在产业布局上，我国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。 中国的太阳能电池研究比国外晚了20年，尽管最近10年国家在这方面逐年加大了投入，但投入仍然不够，与国外差距还是很大。政府应加强政策引导和政策激励，尽快解决太阳能发电上网与合理定价等问题。同时可借鉴国外的成功经验，在公共设施、政府办公楼等领域强制推广使用太阳能，充分发挥政府的示范作用，推动国内市场尽快起步和良性发展。 太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总 绿色环保节能太阳能 能源结构中将占到30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10％以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的20％以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80％以上，太阳能发电将占到60％以上。这些数字足以显
太阳能电池板原理
随着全球能源日趋紧张，太阳能成为新型能源得到了大力的开发，其中我们在生活中使用最多的就是太阳能电池了。太阳能电池是以半导体材料为主，利用光电材料吸收光能后发生光电转换，使它产生电流，那么太阳能电池的工作原理是怎么样的呢？太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子—空穴对。这样，光能就以产生电子—空穴对的形式转变为电能。
一、太阳能电池的物理基础 当太阳光照射ｐ－ｎ结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电子——空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向型区，空穴被驱向Ｐ型区，从而使凡区有过剩的电子，Ｐ区有过剩的空穴。于是，就在ｐ－ｎ结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。 如果半导体内存在P—N结，则在P型和N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P—N结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。 制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。下
面我们以硅太阳能电池为例，详细介绍太阳能电池的工作原理。 1、本征半导体 物质的导电性能决定于原子结构。导体一般为低价元素，它们的最外层电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子，在外电场的作用下产生定向移动，形成电流。高价元素（如惰性气体）或高分子物质（如橡胶），它们的最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子，所以导电性极差，成为绝缘体。常用的半导体材料硅（Si）和锗（Ge）均为四价元素，它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚的那么紧，因而其导电性介于二者之间。 将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体，即为本征半导体。晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，相邻的原子形成共价键。
太阳能电池板及其工作原理
太阳能电池板及其工作原理 性能及特点： 太阳能电池分为单晶硅太阳电池（坚固耐用，使用寿命一般可达20年。光电转换效率为15％。）多晶硅太阳电池（其光电转换效率约14.5％，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低非晶硅太阳电池。）非晶硅太阳能电池（其光电转换率为10%，成本低，重量轻，应用方便。） 太阳能发电原理： 太阳能不象煤和石油一样用交通工具进行运输，而是应用光学原理，通过光的反射和折射进行直接传输，或者将太阳能转换成其它形式的能量进行间接传输。直接传输适用于较短距离。基本上有三种方法：基本上有三种方法：通过反射镜及其它光学元件组合，改变阳光的传播方向，达到用能地点；通过光导纤维，可以将入射在其一端的阳光传输到另一端，传输时光导纤维可任意弯曲；采用表面镀有高反
射涂层的光导管，通过反射可以将阳光导入室内。间接传输适用于各种不同距离。将太阳能转换为热能，通过热管可将太阳能传输到室内；将太阳能转换为氢能或其它载能化学材料，通过车辆或管道等可输送到用能地点；空间电站将太阳能转换为电能，通过微波或激光将电能传输到地面。 太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程，通常叫做"光生伏打效应”,太阳电池就是利用这种效应制成的。 当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子-空穴对。这样，光能就以产生电子-空穴对的形式转变为电能、如果半导体内存在P-n结，则在P型和n型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向n 区，空穴驱向P区，从而使得n区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P-n结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。光生电场的一部分除抵销势垒电场外，还使P型层带正电，n型层带负电，在n区与p区之间的薄层产生所谓光生伏打电动势。若分别在P型层和n型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。 太阳能发电原理图如下：
随着全球能源日趋紧张，太阳能成为新型能源得到了大力的开发，其中我们在生活中使用最多的就是太阳能电池了。太阳能电池是以半导体材料为主，利用光电材料吸收光能后发生光电转换，使它产生电流，那么太阳能电池的工作原理是怎么样的呢？太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子—空穴对。这样，光能就以产生电子—空穴对的形式转变为电能。 一、太阳能电池的物理基础 当太阳光照射ｐ－ｎ结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电子——空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向型区，空穴被驱向Ｐ型区，从而使凡区有过剩的电子，Ｐ区有过剩的空穴。于是，就在ｐ－ｎ结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。 如果半导体内存在P—N结，则在P型和N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P—N结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。
制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。下面我们以硅太阳能电池为例，详细介绍太阳能电池的工作原理。 1、本征半导体 物质的导电性能决定于原子结构。导体一般为低价元素，它们的最外层电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子，在外电场的作用下产生定向移动，形成电流。高价元素（如惰性气体）或高分子物质（如橡胶），它们的最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子，所以导电性极差，成为绝缘体。常用的半导体材料硅（Si）和锗（Ge）均为四价元素，它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚的那么紧，因而其导电性介于二者之间。 将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体，即为本征半导体。晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，相邻的原子形成共价键。
太阳电池吸收太阳光就能产生一般电池的功能。但是和传统的电池不一样，传统电池的输出电压和最大输出功率是固定的，而太阳电池的输出电压、电流，功率则是和光照条件及负载的工作点关。正因如此，要应用太阳电池来产生电力，必须了解太阳电池的电流-电压关系，及工作原理。 太阳光的频谱照度： 太阳电池的能量来源是太阳光，因此入射太阳光的强度(intensity)与频谱 (spectrum)就决定了太阳电池输出的电流与电压。我们知道，物体置放于于阳光下，其接受太阳光有二种形式，一为直接（direct)接受阳光，另一为经过地表其它物体散射后的散射（diffuse)阳光。一般情况下，直接入射光约占太阳电池接受光的80%。因此，我们下面的讨论也以直接着实阳光为主。 太阳光的强度与频谱，可以用频谱照度（spectrum irradiance)来表达，也就是单位面积单位波长的光照功率(W/㎡um)。而太阳光的强度（W/㎡),则是频谱照度的所有波长之总和。太阳光的频谱照度则和测量的位置与太阳相对于地表的角度有关，这是因为太阳光到达地表前，会经过大气层的吸收与散射。位置与角度这二项因素，一般就用所谓的空气质量（air mass, AM)来表示。对太阳光照度而言，AMO是指在外太空中，太阳正射的情况，其光强度约为1353 W/㎡,约等同于温度5800K的黑体辐射产生的光源。AMI是指在地表上，太阳正射的情况，光强度约为925 W/m2〇 AMI.5足指在地表上，太阳以45度角入射的情况，光强度约为844 W/㎡。一般也使用AM 1.5来代表地表上太阳光的平均照度。 太阳电池的电路模型： 一个太阳电池没有光照时，它的特性就是一个p-n结二极管。而一个理想的二极管其电流-电压关系可表为 其中I代表电流，V代表电压，Is是饱和电流，和VT=KBT/q0, 其中KB代表BoItzmann常数，q0是单位电量，T是温度。在室温下，VT=0.026v。需注意的是，P-n二极管电流的方向是定义在器件内从P型流向n型，而电压的正负值，则是定义为P 型端电势减去n型端电势。因此若遵循此定义，太阳电池工作时，其电压值为正，电流值为负，I-V曲线在第四象限。这里必须提醒读者的是，所谓的理想二极管是建立在许多物理条件上，而'实际的二极管自然会有一些非理想（nonideal)的因素影响器件的电流-电压关系，例如产生-复合电流，这里我们不多做讨论。 当太阳电池受到光照时，p-n二极管内就会有光电流。因为p-n结的内建电场方向是从n型指向p型，光子被吸收产生的电子-空穴对，电子会往n型端跑，而空穴会往p型端跑，则电子和空穴二者形成的光电流会由n型流到p 型。一般二极管的正电流方向是定义为由p型流到n型。这样，相对于理想二极管，太阳电池光照时产生的光电流乃一负向电流。而太阳电池的电流-电压关系就是理想二极管加上一个负向的光电流IL，其大小为： 也就是说，没有光照的情况，IL=0,太阳电池就是一个普通的二极管。当太阳电池短路时，也就是V=0,其短路电流则为Isc=-IL.也就是说当太阳电池短路，短路电流就是入射光产生光电流。若太阳电池开路，也就是你I=0，其开路电压则为:
太阳能电池的分类简介 （1）硅太阳能电池 硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。 单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%（截止2011，为18%）。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降 低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅 薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代 产品。 多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低 廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转 换效率为18%，工业规模生产的转换效率为10%（截 止2011，为17%）。因此，多晶硅薄膜电池不久 将会在太阳能电池市场上占据主导地位。 非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。
2）多晶体薄膜电池 多晶体薄膜电池硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产 品。 砷化镓（GaAs）III-V化合物电池的转换效率 可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光学 带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热 不敏感，适合于制造高效单结电池。但是GaAs 材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用 GaAs电池的普及。 （3）有机聚合物电池 以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本低等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。 （5）有机薄膜电池 有机薄膜太阳能电池，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。大家对有机太阳能电池不熟悉，这是情理中的事。如今量产的太阳能电池里，95%以上是硅基的，而剩下的不到5%也是由其它无机材料制成的 6）染料敏化电池 染料敏化太阳能电池，是将一种色素附着在TiO2粒子上，然后浸泡在一种电解液中。色素受到光的照射，生成自由电子和空穴。自由电子被TiO2吸收，从电极流出进入外电路，再经过用电器，流入电解液，最后回到色素。染料敏化太阳能电池的制造成本很低，这使它具有很强的竞争力。它的能量转换效率为12%左右。 （7）塑料电池 塑料太阳能电池以可循环使用的塑料薄膜为原料，能通过“卷对卷印刷”技术大规模生产，其成本低廉、环保。但塑料太阳能电池尚不成熟，预计在未来5年到10年，基于塑料等有机材料的太阳能电池制造技术将走向成熟并大规模投入使用。 太阳能工作原理 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳能发电有两种方式，一种是光一热一电转换方式，另一种是光一电直接转换方式。其中，光一电直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光一电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种大有前途的新型
第46卷第3期材料工程V。1.46 No.3 2018 年3月第 142 —150 页Journal of MaterialsEngmeering Mar. 2018 pp.142-150 钙钛矿太阳能电池材料的 研究进展 Research Progress on Materials for Perovskites Solar Cells 邱婷，苗晓亮，宋文佳，楼冬，张树芳 (南京理工大学材料科学与工程学院，南京210094) QIU Ting，MIAO Xiao-liang，SONG Wen-jia， LOU Dong,ZHANG Shu-fang (School of Materials Science and Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094, China) 摘要：钙钛矿太阳能电池的研究在近5年内迅速发展，已经成为非常有活力的研究领域，在较短的时间内电池的效率得 到了显著的提升。钙钛矿太阳能电池中钙钛矿材料的研究对于提高电池的效率有着重要的意义。本文综述了近年来在 钙钛矿层制备方法、新材料的合成等方面存在的主要问题和研究进展。对各种制备方法的特点及改进优化进行了详细 的介绍，并分析了新材料合成的必要性和所面临的问题。最后，指出了在降低钙钛矿毒性、大面积制备钙钛矿太阳能电 池，以及降低成本等方面的研究前景，为今后高效、稳定的钙钛矿太阳能电池的研究提供方向。 关键词：钙钛矿；太阳能电池；制备；薄膜 doi: 10.11868/-.issn.1001-4381. 2015. 001329 中图分类号：O475 文献标识码：A文章编号：1001-4381(2018)03-0142-09 Abstract：Perovskite solar cells(PSCs)have been developed rapidly as one of the most growing photovoltaic technologies in the last five years.The power conversion efficiency(PCE)of the solar cells has been unprecedentedly increased over the relatively short period.It is of great signii-cance to study the perovskite materials in this kind of solar cells for improving the efficiency.The most focused issues asw ell as themain progress in varied fabrication techniques and synthesis of new materials in recent years were reviewed in this paper.The characteristics and improvements of varied fabrication techniques are introduced in detail,the necessity and the problems facing for new materials synthesis were analyzed.Finally,a perspective view on reducing the toxicity of perovskite,preparing large-scale perovskite solar cells,and the cost reduction was given to p rovide the direction ture research of high-efficiency and stable perovskite solar cells. Key words：perovskite；solar cell；fabrication；thin film 近几十年来，随着工业发展和人口増长，全球能源 需求不断増加，特别是对传统能源，如石油、煤炭和天 然气的依赖仍在继续。到目前为止，超过80%的能源 消耗来自化石燃料，这导致了环境污染和气候变暖等 问题。更重要的是，化石燃料是不可再生能源，未来终 将耗尽。而现代社会的发展需要更多低污染、可持续 的能源。太阳能是人类取之不尽、用之不竭的可再生 能源，同时也是清洁能源，在使用过程中不会产生任何 的环境污染。利用太阳能进行发电是近些年来发展最 快、最具活力的研究领域。人们已经研制和开发了各 种太阳能电池。目前，硅基太阳能电池，特别是单晶硅太阳能电池由于转化效率较高已经实现了商品化，并 在大规模应用和工业生产中占据主导地位，但由于其 高昂的材料价格以及繁琐的制备工艺，使得其成本居 高不下，而大幅度降低其成本又非常困难[1]。为此，发 展硅电池的替代产品是非常有必要的。在这种情况 下，成本相对较低的多晶硅薄膜太阳能电池和叠层（多结）非晶硅太阳能电池应用而生。但由于在多晶硅薄 膜电池的生产工艺中，需要高温、高真空的气相沉积过 程，成本仍然较高。对于成本更为低廉的非晶硅太阳 能电池来说，非晶硅大约1. 7e V的光学带隙只能利用 波长在730n m以下的太阳光辐射，明显减少了对近红
有机太阳能电池的原理和应用 一、结构和基本原理 目前的有机太阳能电池可以分为三类。 1.1 肖特基型有机太阳能电池 第一个有机光电转化器件是由Kearns 和Calvin在1958 年制备的，其主要材料为镁酞菁（MgPc）染料，染料层夹在两个功函数不同的电极之间。在这种有机半导体器件中，电子在光照下被从HOMO 能级激发到LUMO能级，产生一对电子和空穴。电子被低功函数的电极提取，空穴则被来自高功函数电极的电子填充，由此在光照下形成光电流。理论上，有机半导体膜与两个不同功函数的电极接触时，会形成不同的肖特基势垒。这是光致电荷能定向传递的基础。因而此种结构的电池通常被称为“肖特基型有机太阳能电池”。在这个器件上，他们观测到了200 mV的开路电压，光电转化效率很低。此后二十多年间，有机太阳能电池领域内创新不多，所有报道的器件之结构都类似于1958 年版，只不过是在两个功函数不同的电极之间换用各种有机半导体材料。由于肖特基型有机太阳能电池是单纯由一种纯有机化合物夹在两层金属电极之间制成的，因此效率比较低，现在已经被淘汰。 1.2 双层膜异质结型有机太阳能电池 在肖特基型有机太阳能电池的基础上，1986 年，行业内出现了一个里程碑式的突破。 实现这个突破的是柯达公司的邓青云博士。这个时代的有机太阳能电池所采用的有机材料主要还是具有高可见光吸收效率的有机染料。邓青云的器件之核心结构是由四羧基苝的一种衍生物（又称作PV）和铜酞菁（CuPc）组成的双层膜。这种太阳能电池又叫做p-n 异质结型有机太阳能电池。在双层膜结构中，p-型半导体材料（电子给体（Donor），以下简记为D）和n-型半导体材料（电子受体（Acceptor），以下简记为A）先后成膜附着在正负极上（下图）。D 层或者 A 层受到光的激发生成激子，激子扩散到 D 层和 A 层界面处发生点电荷分离生成载流子，然后电子经A层传输到电极，空穴经D层传输到对应的电极。1992 年，土耳其人Sariciftci 在美国发现，激发态的电子能极快地从有机半导体分子注 入到C60 分子中，而反向的过程却要慢得多。也就是说，在有机半导体材料与C60 的界面上，激子可以以很高的速率实现电荷分离，而且分离之后的电荷不容易在界面上复合。这是由于C60的表面是一个很大的共轭结构，电子在由60个碳原子轨道组成的分子轨道上离域，可以对外来的电子起到稳定作用。因此C60 是一种良好的电子受体材料。1993 年，Sariciftci在此发现的基础上制成PPV/C60 双层膜异质结太阳能电池。PPV通常叫作“聚对苯乙烯撑”，是一种导电聚合物，也是一种典型的P 型有机半导体材料。此后，以C60 为电子受体的双层膜异质结型太阳能电池层出不穷。 1.3 混合异质结型有机太阳能电池 随后，研究人员在此类太阳能电池的基础上又提出了一个重要的概念：混合异质结（Bulk Heterojunction）。混合异质结概念主要针对光电转化过程中激子分离和载流子传输这两方面的限制。双层膜太阳能电池中，虽然两层膜的界面有较大的面积，但激子仍只能在界面区域分离，离界面较远处产生的激子往往还没移动到界面上就复合了。而且有机材料的载流子迁移率通常很低，在界面上分离出来的载流子在向电极运动的过程中大量损失。这两点限制了双层膜电池的光电转化效率。 而所谓“混合异质结”，就是将给体材料和受体材料混合起来，通过共蒸或者旋涂的方法制成一种混合薄膜。其给体和受体在混合膜里形成一个个单一组成的区域，在任何位置产生的激子都可以通过很短的路径到达给体与受体的界面（即结面），电荷分离的效率得到了提高。同时，在界面上形成的正负载流子亦可通过较短的途径到达电极，从而弥补载流子迁移率的不足。2008 年3 月，大阪大学和大阪市立研究所宣布，成功开发出了单元转换效率高
钙钛矿太阳能电池基本原理和制备方法 2.1基本原理 钙钛矿太阳能电池作为一种新出现的太阳能电池，其电池结构目前主要有两种，第一种是由染料敏化太阳能电池演化而来的“敏化”结构，此结构与染料敏化太阳能电池极为相似，具有高吸光性的钙钛矿材料作为光敏化剂，其层状结构 的每一层物质依次为透明导电玻璃、ZnO或TiO 2致密层、钙钛矿敏化的多孔TiO 2 或Al 2O 3 层、空穴传输层（HTMs）、金属电极，结构图如图2.1左。第二种是平面 异质结薄膜结构，其层状结构每一层物质依次为透明导电玻璃、ZnO或TiO 2 致密层、钙钛矿层、空穴传输层（HTMs）、金属电极，结构图如图2.1右。这种结构下钙钛矿既是光吸收层又是电子传输层和空穴传输层，其优良性能被充分利用。由于作为空穴传输层（HTMs）的Spiro-OMeTAD材料制备起来相对比较复杂和昂贵，因而无空穴传输层（HTMs）的钙钛矿太阳能电池的研发也成为科研热点。 图2.1 （a）“敏化”钙钛矿太阳能电池结构（b）平面异质结钙钛矿太阳能电池结构 2.1.1“敏化”钙钛矿太阳能电池 H.S.Kim等科学家制作出了光电转化效率为9.7％的敏化全固态钙钛矿太阳 能电池，作为光吸收层的钙钛矿CH 3NH 3 PbI 3 的光吸收系数很高，较薄的钙钛矿敏 化的多孔TiO 2 层可以吸收大量的光源，因而电池可以产生高达17.6mA/cm2的短
路电流密度。此后tzel a Gr 等科学家优化了电池制备方法，在TiO2光阳极表面上 形成CH 3NH 3 PbI 3 纳米晶，此纳米晶具有高吸附性和该覆盖性。此方法使得太阳能 电池光电转换效率达到15％，并且具有极高的稳定性，500小时后光电转化效率仍然达到一开始的80％. 一维的TiO 2纳米结构，包括纳米棒、纳米管、纳米线等，相比较于由TiO 2 纳米颗粒组成的薄膜，其电子传输效率更高，电子寿命更长，晶界的电荷复合效 率更低。TiO 2 薄膜因其有利于电子传输，具有恰当的能级，在传统的敏化结构太阳能电池中可以作为光阳极。其电荷转移示意图如图 2.2左。而由于钙钛矿 CH 3NH 3 PbI 3 具有长的电子扩散长度，且具有双极性输运性质，光生电荷载流子可 以被钙钛矿有效的分别传输到两端电极，因而绝缘的Al 2O 3 便可替代TiO 2 。Al 2 O 3 仅作为钙钛矿CH 3NH 3 PbI 3 的支架，光生电子被限制在CH 3 NH 3 PbI 3 内，只能在钙钛 矿内传输。J.M.Ball等科学家优化了Al 2O 3 的厚度，使得钙钛矿太阳能电池的光 电转换效率最高达到12.3％. 其电荷转移示意图如图2.2右。 图2.2 TiO2、Al2O3为光阳极的太阳能电池电荷转移示意图
太阳能电池的原理及制作 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能 源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中；大阳能光 电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩 目的项目之一。 制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光 电材料吸收光能后发生光电于转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池；2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3、功能高分子材料制备的大阳能电池；4、纳米晶太阳能电池等。 一、硅太阳能电池 1．硅太阳能电池工作原理与结构 太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下： 图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。 当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照下图： 图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。
同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N （negative）型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子。如下图。 N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。 当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导 体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层)，界面的P型 一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多 空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的 电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。 当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。(如下图所示）
太阳能电池的基本原理 光-电直接转化是目前将太阳能转化为电能的最佳途径,它是将太阳辐射的光能直接转化为电能,实现这种转化的装置称为太阳能电池。太阳能电池具有清洁性和灵活性等优点,它可大到百万千瓦的中型电站,也可小到只供一家之需的电池组,这是其他电源很难做到的。本文举例介绍两类太阳能电池的基本结构及原理：无机硅太阳能电池和有机聚合物双层异质结太阳能电池。 一、硅太阳能电池 硅太阳能电池的基本结构如图1所示，它的核心结构是N型硅/P型硅构成的活性层。通过特殊工艺向硅晶体中掺入少量的三价硼(一般107个原子·cm-3～1019个原子·cm-3)就可以构成P(positive)型硅。未掺杂的硅晶体中，每个硅原子通过共价键与周围4个硅原子相连。掺入少量硼后，硼原子取代某些硅原子的位置，并且在这些硅原子的位置上也与周围4个硅原子形成共价键。因为硼原子只有3个价电子，与周围4个硅原子成键时缺少1个电子，它需要从硅晶体中获取1个电子才能形成稳定结构。结果，硼原子变成负离子，硅晶体中形成空穴(空穴带一个单位的正电荷)。如果向硅晶体中掺入少量五价磷或者砷就构成了N(negative)型硅，例如掺入磷(107个原子·cm-3～1019个原子·cm-3)。掺入的磷原子同样取代硅原子的位置，并与周围的4个硅原子形成共价键。因为磷原子有5个价电子，成键后剩下1个价电子，这个电子受到的束缚力比共价键上的电子小得多，很容易脱离磷原子，成为自由电子，结果该磷原子成为正离子。需要说明的是，P型和N型硅都是电中性的。 当把P型硅与N型硅通过一定方式结合在一起时，发生如图2所示的PN结形成过程。在N区(N型硅一侧)与P区(P型硅一侧)的交界面附近，N区的自由电子较多空穴较少，P区则是空穴较多自由电子较少，这样在P区和N区之间出现空穴和自由电子的浓度差。浓度差导致空穴从P区向N区扩散，自由电子从N区向P区扩散，二者在界面附近复合。P区界面附近带正电荷的空穴离开后，留下带负电荷的硼，因此形成1个负电荷区。同理，在N区界面附近出现1个正电荷区。通常把交界面附近的这种正、负电荷区域叫做空间电荷区。空间电荷区中的正、负电荷产生1个由N区指向P区的内建电场。在内建电场的作用下，空穴和电子发生漂移，方向与它们各自的扩散方向相反，即电子从P区漂移到N 区，空穴从N区漂移到P区。显然，内建电场同时又起着阻碍电子和空穴继续扩散的作用。随着扩散的进行，空间电荷逐渐增多，内建电场逐渐增强，空穴和电子的漂移也逐渐增强，但空穴和电子的扩散却逐渐变弱。无外界影响时，空穴和电子的扩散和漂移最终达到动态平衡。此时，空间电荷的数量一定，空间电荷区不再扩展，内建电场的大小就确定下来。 当具有一定能量的光子入射到PN结表面时，光子在硅表面及体内激发产生大量的电子-空穴对。由于入射光的强度因材料的吸收而不断衰减，因而沿着光照方向，材料内部电子-空穴对的浓度逐渐降低，这导致电子–空穴对向内部扩散。当电子-空穴对扩散到PN结边界时，在内建电场的作用下，空穴、电子被分别
钙钛矿太阳能电池的光物理 摘要 溶液制备法制备的有机-无机杂化钙钛矿型太阳能电池，是光伏领域的一种新型太阳能电池新型材料，其光电转换效率已经超过17%，并且在该领域产生了巨大影响。这篇文章中，在这类新的光伏材料中，关于载流子动力学和电荷转移机制中的光物理和新的发现，进行了检验和提炼。一些开放性物理问题也将被讨论。 关键词：甲基氨碘化铅，钙钛矿型太阳能电池，光物理，瞬态吸收光谱，电荷动力学，电荷转移机制 1.引言 有机无机杂化钙钛矿型太阳能电池（或简单的钙钛矿型太阳能电池）是在低成本光电池的研究中的最主要的突破。在这大约5年的期间里，这些溶液加工制备的太阳能电池成为第三代太阳能电池的先驱，比如有机太阳能电池，染料敏化太阳能电池，量子点太阳能电池。尽管，在最近举行的材料研究学会2014春季会议报告中声称，电池的转化效率已经达到了19.3%，但是到目前为止，能够证明确定的记录是17.9%，而在2009年，这个记录只有3.8%。相比较而言，染料敏化太阳能电池需要二十多年的研究才超过10%的转化效率。尽管在器件性能的显著增加，但钙钛矿型太阳能电池中的光物理机制仍然是不明确的。在本文中，我将首先简要地回顾了目前的钙钛矿型太阳能电池领域的进展，然后追踪一下光物理研究的发展。我还会强调一下钙钛矿中电子和空穴的扩散长度，CH3NH3PbI3的热空穴冷却动力学
和放大自发辐射的发现。最后，在这些材料中，一些关于光物理的问题也会进行讨论。 2.有机无机钙钛矿太阳能电池 2.1 三维的有机无机钙钛矿电池的结构 钙钛矿是一般化学式为AMX3 化合物的总称。A阳离子在立方晶胞的8个角上，M阳离子被6个X阴离子包围，位于[PbI6]4- 八面体的中心。如图1，CH3NH3PbI3情况。尽管钛酸钙的通用名称有着相同的“钙钛矿”标签，但有机无机钙钛矿材料与他们同名仅仅是因为他们的结构。在纳米科学发展的19世纪80年代，这类杂化材料能够形成三维（3D）到零维（0-D）与[PbI6]4- 八面体单元的类似物，直到把晶胞已作为广泛应用在半导体介观量子限制效应模型而深入研究。CH3NH3PbX3 （其中x是Cl，Br，I）是广泛调查的光伏材料的选择，这个材料由3D八面体网状结构形成。 2.2该领域和基本器件结构的概述 光电池CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3 的应用可以追溯到2009年T. Miyasaka及其合作者所开展的工作，他们把这些材料作为光吸收材料，在TiO2介孔层和卤化物电解质上面，达到了3.18%的光电转换效率。随后在2011年，N.G Park和他的合作者将这种液态电解液钙钛矿电池进一步优化，使效率达到了6.45%，然而，材料的稳定性以及容易在液体中溶解的性质为这些早期的电池带来了麻烦。在2012年，N. G. Park, M. Gr?tzel 在电池的稳定性和效率上取得了重要的突破，实现了9.7%的光电转换效率。接下来的工作，H. J. Snaith,
太阳能电池工艺过程 1.清洗腐蚀制绒面。 2.清洗。 3.淡磷扩散。 4.热氧化钝化。 5.开槽。 6.开槽区腐蚀。 7.清洗。 8.槽区浓琳扩散。 9.背面蒸铝。 10.烧制背场。 11.化学镀埋栅。 12.制作背面电极。 13.蒸镀减反射膜。 14.去边烧结。 15.测试。 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。 制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为： 1、硅太阳能电池； 2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池； 3、功能高分子材料制备的大阳能电池； 4、纳米晶太阳能电池等。 一、硅太阳能电池 1．硅太阳能电池工作原理与结构 太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下：
图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。 当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照下图： 图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。 同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N（negative）型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子。如下图。 N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接 触面形成电势差，这就是PN结。
钙钛矿太阳能电池中钙钛矿层及电子传输材料的制备 研究 Hans Journal of Nanotechnology 纳米技术, 2015, 5, 16-23 16 Investigation on Preparation of Perovskite Layer and Electron-Transport Materials for Perovskite Solar Cells Tianguo Deng1,2, Yun Gao2*, Xiaohong Xia2, Zhongbing Huang1 1Faculty of Physics and Electric Technology, Hubei University, Wuhan Hubei 2Faculty of Materials Science and Engineering, Hubei University, Wuhan Hubei
Received: Jan. 28th, 2015; accepted: Feb. 10th, 2015; published: Feb. 16th, 2015 Copyright ?? 2015 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). Abstract In organic-inorganic hybrid halogen perovskite solar cell, the electron transport material and its interface with absorption layer play an important role in the efficiency of photoelectrical conver- sion. The mesoscopic structures of the electron-transport layer will directly influence the growth of perovskite layer, whose microstructures are crucial for the stability and life-span of solar cells.
太阳能电池板及其工作原理 性能及特点：太阳能电池分为单晶硅太阳电池（坚固耐用，使用寿命一般可达20年。光电转换效率为15％。）多晶硅太阳电池（其光电转换效率约14.5％，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低非晶硅太阳电池。）非晶硅太阳能电池（其光电转换率为10%，成本低，重量轻，应用方便。） 太阳能发电原理： 太阳能不象煤和石油一样用交通工具进行运输，而是应用光学原理，通过光的反射和折射进行直接传输，或者将太阳能转换成其它形式的能量进行间接传输。直接传输适用于较短距离。基本上有三种方法：基本上有三种方法：通过反射镜及其它光学元件组合，改变阳光的传播方向，达到用能地点；通过光导纤维，可以将入射在其一端的阳光传输到另一端，传输时光导纤维可任意弯曲；采用表面镀有高反
射涂层的光导管，通过反射可以将阳光导入室内。间接传输适用于各种不同距离。将太阳能转换为热能，通过热管可将太阳能传输到室内；将太阳能转换为氢能或其它载能化学材料，通过车辆或管道等可输送到用能地点；空间电站将太阳能转换为电能，通过微波或激光将电能传输到地面。 太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程，通常叫做"光生伏打效应”,太阳电池就是利用这种效应制成的。 当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子-空穴对。这样，光能就以产生电子-空穴对的形式转变为电能、如果半导体内存在P-n 结，则在P型和n型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向n区，空穴驱向P区，从而使得n区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P-n结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。光生电场的一部分除抵销势垒电场外，还使P型层带正电，n型层带负电，在n区与p 区之间的薄层产生所谓光生伏打电动势。若分别在P型层和n型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。 太阳能发电原理图如下：