《太阳能电池基础与应用》钙钛矿电池+第一部分

无毒杂化钙钛矿太阳能电池的第一性原理研究摘要：有机-无机杂化钙钛矿近几年受到世界科学家的广泛关注。

它有着高效的光电转化效率以及低成本的制备方法，属于太阳能电池领域的一颗新星。

然而大部分类似的材料都是铅基的，属于有毒物质。

在这项工作中，基于密度泛函理论计算系统地研究了无毒锡基的 CH3NH3SnI3和CH3NH3SnBr3两种钙钛矿材料的结构和电子特性。

通过计算，我们优化出来两种材料的晶体结构，得到晶格常数并完成他们的晶体模型搭建。

同时，发现它的电子特性在很大程度上取决于有机分子CH3NH3、卤原子（I和Br）。

根据计算发现，这两种材料的晶体结构会随着卤原子的改变而发生变化，同时他们的带隙也会相应的变化。

相信这两种材料有机会可以替代有毒的铅基钙钛矿太阳能电池，未来得到广泛的使用。

1.引言迄今为止，在世界各地的能源依旧依靠传统能源，例如煤炭石油。

由于这些传统能源在使用过程中会对环境造成很大的污染，因此可再生能源技术的发展对于全球的能源供应有着非常重要的作用和意义。

可再生能源里，其中最为重要的一种就是太阳能。

太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁能源一直受到广泛的关注和研究。

其中，太阳能电池就是一个很好的应用案例。

在电阳能电池的整体结构里，其中最核心的就是吸光材料。

一个优秀的吸光材料应该至少满足三个基本要求：1）合适的能带间隙；2）较高的电子-空穴分离长度；3）高的载流子迁移率。

杂化钙钛矿材料可以很好的满足这些要求。

目前为止，杂化钙钛矿太阳能电池最高的光电转换效率可以达到24%，和硅电池相媲美。

与此同时，这种材料的制备工艺非常简单廉价，一直被寄予厚望。

杂化钙钛矿材料的分子式是ABX3，其中A是甲基铵（CH3NH3）或甲脒（NH2CHNH2），B是铅Pb或锡Sn，X可以是Cl、Br、I或它们的各种组合。

目前，大部分的杂化钙钛矿太阳能电池都是铅基的。

铅是一种有毒的化学物质，它对人体和环境都有着不可逆的伤害和污染。

钙钛矿太阳能电池引言21世纪以来，人口急剧增长，能源和环境问题日益明显。

目前，人们主要消耗的是不可再生能源，例如煤、天然气、石油等化石燃料。

而未来人类还需大量的能源，故人类正在积极开发新能源。

而太阳能具有清洁、无污染、分布广并且能量充分，是目前广大科研人员的研究重点。

而光伏为开发太阳能的主要对象，主要其具有安全、清洁、成本低廉等优点。

目前，市场上主要为第一代硅基太阳能电池，大约占了90%，其余的约10%被CdTe和GIGS为代表的第二代薄膜太阳能电池所占据。

然而，硅基太阳能电池在原材料和制造上，其成本都比较高，工艺较复杂。

因此，人们正在努力开发高效率、低成本的新型太阳能电池。

如钙钛矿太阳能电池[1]。

近年来，钙钛矿太阳能电池由于光电效率高，工艺简单等一些优异性能而受到人们的广泛关注。

现如今广大研究人员正在大力研究，开发钙钛矿太阳能电池，其光电转化效率正在不断突破、提高，有可能达到甚至超过单晶硅太阳电池（25.6%）的水平。

其中钙钛矿太阳能电池的光电转化效率被证实已达到了20. 1%[2]，这项重大的成就于2013 年度，成功被Science 评选为十大科学突破之一[3]。

一钙钛矿太阳能电池的发展历程人们从十年以前就开始研究钙钛矿型结构化合物，刚开始由于其具有优异的光子传导性以及半导体特性，而被应用于薄膜晶体管和有机发光二极管中。

[4] 2009 年，Miyasaka 等[5]首先制得钙钛矿结构的太阳能电池，它主要是以CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbI3为光敏化剂。

这成功地跨出了钙钛矿太阳能电池发展的第一步，也为钙钛矿太阳能电池发展奠定了重要的基础。

2011年，Park 等[6]以CH3NH3PbI3为光敏化剂，通过改善工艺及优化原料组分比，成功制备了光电转化效率为6. 54%的钙钛矿太阳能电池，其结构和性能得到了一定的提升。

2012年，Snaith 等[7]利用CH3NH3PbI2Cl作为光吸收剂，并且将结构中的TiO2层用Al2O3层进行替代，最终电池的效率增加到10.9%。

钙钛矿太阳能电池原理钙钛矿太阳能电池是一种新型的太阳能电池技术，具有高效率、低成本和环保等优点，因此备受关注。

在深入了解钙钛矿太阳能电池的原理之前，我们先来了解一下太阳能电池的基本原理。

太阳能电池是利用光电效应将太阳能转化为电能的一种器件。

其基本原理是当光线照射到半导体材料上时，光子会激发材料中的电子，使其跃迁到导带中，形成电子-空穴对。

这些电子-空穴对在电场的作用下分离，形成电流，从而产生电能。

这就是太阳能电池的基本工作原理。

而钙钛矿太阳能电池是基于钙钛矿材料构建的太阳能电池。

钙钛矿是一种晶体结构独特的材料，具有优异的光电性能，因此被广泛应用于太阳能电池领域。

那么，钙钛矿太阳能电池的工作原理是什么呢？钙钛矿太阳能电池的工作原理主要包括光吸收、电子传输和电荷分离三个过程。

首先，当阳光照射到钙钛矿太阳能电池上时，钙钛矿材料会吸收光子，激发内部电子，形成电子-空穴对。

接着，这些电子-空穴对会在材料内部传输，最终达到电子传输层和电子受体层。

在这个过程中，电子会被输送到电子传输层，而空穴则会留在钙钛矿材料中。

接下来，电子传输层中的电子会被输送到外部电路中，形成电流，从而产生电能。

而空穴则会在钙钛矿材料中留下，等待下一轮光照。

这样，电子和空穴被有效地分离，形成电荷分离，从而产生电能。

总的来说，钙钛矿太阳能电池的工作原理是利用钙钛矿材料吸收光子，激发电子-空穴对，然后通过电子传输和电荷分离的过程，将光能转化为电能。

这种原理使得钙钛矿太阳能电池具有高效率和良好的光电性能，成为太阳能电池领域的研究热点。

总的来说，钙钛矿太阳能电池的原理是通过光吸收、电子传输和电荷分离等过程，将太阳能转化为电能。

这种原理使得钙钛矿太阳能电池具有高效率和良好的光电性能，成为太阳能电池领域的研究热点。

希望通过本文的介绍，能让大家对钙钛矿太阳能电池的工作原理有一个更加深入的了解。

课程大纲第一部分：基础知识第章引言第一章：引言第二章：半导体基础第三章：P-N结第四章：太阳能电池基础第二部分：传统太阳能电池第章能第五章：晶体硅太阳能电池第六章：高效III-V族化合物太阳能电池第七章：硅基薄膜太阳能电池第八章：高效薄膜太阳能电池（CIGS, CdTe）第三部分：新型太阳能电池第九章：有机太阳能电池第十章：染料敏化及钙钛矿太阳能电池第十一章：其它新型太阳能电池（量子点，中间带等）第十二章：多结太阳能电池主讲教师：（1-4 章：18学时）；82304569，xwzhang@张兴旺14章学时）xwzhang@semi ac cn尹志岗（5-7 章：14学时）；82304469，yzhg@游经碧（8-12章：22学时）；82304566，jyou@课程性质：专业选修课课程性质专业选修课课时：54课时考试类型：开卷成绩计算方式：期末考试（70%）+小组文献汇报（30%）成绩计算方式期末考试参考书目：1熊绍珍朱美芳：《太阳能电池基础与应用》科学出版社1. 熊绍珍，朱美芳：《太阳能电池基础与应用》，科学出版社，2009年2. 刘恩科，朱秉升，罗晋生：《半导体物理学》，电子工业出版社，2011年3. 白一鸣等编，《太阳电池物理基础》，机械工业出版社，2014年第一章引言太阳能的利用方式1.2太阳能资源及其分布31.114太阳电池工作原理31.3太阳电池发展历程1.4太阳电池应用与趋势31.51.6中国光伏发电的现状1973年，由于中东战争而引起的“石油禁运”，全世界发生了以石油为代表的能源危机，人类认识到常规能源的局限性、以石油为代表的“能源危机”，人类认识到常规能源的局限性有限性和不可再生性，认识到新能源对国家经济发展、社会稳定及安全的重要性。

与此同时，环境污染日益加剧、极端天气频繁出现，不断挑战着人类的忍受极限……1.1 太阳能资源：未来能源的主要形式太阳能核能地热能生物质能风能水势能清洁能源－－光伏发电太阳------物理参数太阳------地球生命之源！表度太阳------巨大的火球！表面温度：5760-6000K中心温度：1.5×107K日冕层温度：5×106K198930质量：1.989×10kg太阳每秒释放的能量：3.865×1026J，相当于132每秒燃烧1.32×1016吨标准煤的能量(世界能源消耗)3.0 ×1020joule/y=万分之一！3.0 ×1024joule/y万分之巨大潜力(照射到地面的太阳能)457亿年>50亿年我国的太阳能资源45.7亿年，>50亿年，取之不尽、用之不竭地表每年吸收太阳能17000亿吨标煤2007年一次能源26.5亿吨标煤解决能源危机特点能源取之不尽、无污染地球表面角度0.1%的太阳能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于目前世界上能耗的40倍资源丰富太阳环改善环境、保护气候无污染物废气噪音的污染特点能的境角无污染物、废气、噪音的污染1 MW并网光伏电站的年发电能力约为113万优点度并能kWh，可减排二氧化碳约191余吨相当于每年可节省标准煤约384余吨，减排粉尘约5.5吨，减排灰渣约114吨，减排二氧化硫约节能减排8.54吨。

钙钛矿太阳能电池工作原理1、钙钛矿太阳能电池工作原理钙钛矿太阳能电池由两个有机物质组成：一种叫做钙钛矿的半导体材料，另一种是有机染料。

当太阳光照射到钙钛矿表面时，会被激发出电子，这些电子就会向有机染料中的电子空穴跃离，从而形成一种“电子-空穴对”。

这个电子-空穴对会在电路内发送电流，从而产生电能，从而实现太阳能转换为电能的目的。

钙钛矿太阳能电池的工作原理可以简单地描述如下：太阳照射到钙钛矿上，会产生一种外部电场，使钙钛矿中的电子和空穴散开，电子从钙钛矿中释放，然后被有机染料空穴所吸引，将其转化为电能。

2、电子的转移机理当太阳光照射到钙钛矿上时，会产生一种外部电场，使钙钛矿中的电子和空穴散开。

当太阳光照射在钙钛矿上，由于外部电场的存在，使得钙钛矿表面的电子被激发出来，这些释放出来的电子就会向有机染料中的空穴迁移，并在电路内发送电流，从而产生电能，从而实现太阳能转换为电能的目的。

该过程可以分为三个阶段：（1）首先，太阳光照射在钙钛矿上产生一种外部电场，使得钙钛矿表面的电子被激发出来；（2）其次，激发出来的电子会向周围的氧原子中的空穴迁移；（3）最后，电子穿过有机染料的电子空穴，形成“电子-空穴对”，这个电子-空穴对会在电路内发送电流，从而产生电能。

3、钙钛矿太阳能电池的优势a) 高效率：钙钛矿太阳能电池的效率可以达到20%，比其他太阳能电池的效率要高。

b) 光伏效应强：钙钛矿太阳能电池具有较强的光伏效应，即可以从弱光中获取较多的电能。

c) 低成本：钙钛矿太阳能电池的原料价格便宜，而且生产过程中不需要复杂的设备，使得钙钛矿太阳能电池的成本较低。

d) 环保：钙钛矿太阳能电池在使用过程中不会产生任何有害物质，无污染，是绿色环保的可再生能源。

4、缺点a) 效率低：钙钛矿太阳能电池的效率一般在10%~20%之间，远低于其他太阳能电池，因此不能满足大规模应用的需要。

b) 劣质染料：由于染料的质量问题，钙钛矿太阳能电池的性能往往不稳定，不易控制，因此可能会影响太阳能电池的效率和使用寿命。

电池效率表CuInSe2(CIS)：黄铜矿结构，高温时为闪锌矿结构；Cu(In,Ga)Se2(CIGS):通常最佳组分比Ga/(In+Ga)约为0.3。

CIS与CIGS结构CIS与CIGS光学性质制备方法:三步共蒸法三步共蒸法可形成Ga组分的双梯度分布；Cu、Se组分分布均匀；晶粒大，致密，呈柱状生长。

制备方法:后硒化法后硒化法易于精确控制化学计量比,对设备要求不高,产业化的首选工艺;Ga组分分布较难控制,很难形成双梯度组分分布结构；有时在表面用S代Se，形成宽带隙Cu(In,Ga)S2，以降低器件表面复合。

思考:（1）为什么需要CdS层？（2）i-ZnO层有必要吗？自反型异质结Mo背接触层；CIGS层；背光面：p型受光面：n型CdS缓冲层；ZnO窗口层(i+n)。

CIGS电池结构减反通常用MgF 2Ga/(In+Ga) 0.26 to 0.31CIGS电池效率发展趋势CIGS电池实验室效率快速增长，目前已达21.7%，超过多晶硅电池。

低成本工艺取得突破，柔性衬底CIGS电池效率高达20.4%。

CIGS电池成本变化趋势CIGS电池组件、BOS成本持续稳步下降，目前已经可以和晶硅电池竞争。

CIGS电池市场CIGS电池市场份额稳步提升，未来竞争力持续看好。

温度系数小室外工作特性较商用Si电池优异，应用前景更好！抗辐照能力强抗辐照性能远优于其它类型的太阳电池；空间应用前景好。

单片集成单片集成,相对于晶Si电池有巨大优势,有利于降低组件成本。

组件效率记录:16.5%,台湾TSMC。

能量损失机制（1）电极遮光损失；（2）反射损失；（3）ZnO窗口层吸收损失；（4）CdS缓冲层吸收损失；（5）CIGS带隙附近吸收不充分；（6）CIGS复合损失。

导带带阶(band offset)ΔE C略大于0非常有必要Ga组分双梯度提供背电场，抑制背面少子复合，减少电池点穴损失；优化光谱匹配，提高电池开压。

表面、晶界贫Cu对电池结构而言，表面贫Cu可形成自反型结构——形成pn结的前提；对材料（吸收层）而言，晶界贫Cu造成能带向下弯曲，空穴的天然势垒——抑制晶界复合；SKM及CAFM的实验证据（AM, 2015）。

钙钛矿电池的结构钙钛矿电池（perovskite solar cell）是一种新型的太阳能电池技术，以其高效率和低成本的特点而备受关注。

它的结构主要由五个主要组成部分构成：透明导电玻璃/导电基底、电子传输材料、钙钛矿光敏材料、空穴传输材料和金属电极。

1.透明导电玻璃/导电基底：透明导电玻璃或导电基底是钙钛矿电池的底部，用于支撑整个光电器件。

它通常由氧化锌或氧化铟锡材料制成，具有良好的导电性和透明性，能够使光线透过并到达电池内部。

2.电子传输材料：电子传输材料（ETM）位于导电基底和钙钛矿光敏材料之间，主要负责将光生电子从光敏材料传输到电极。

常见的ETM材料包括二氧化钛、锡酸盐等。

ETM的选择对电池的性能有重要影响，常用的ETM需要具备良好的导电性、光学透明性以及与钙钛矿光敏材料的能级匹配。

3.钙钛矿光敏材料：钙钛矿光敏材料是钙钛矿电池的核心部分，能够将太阳光转化为电能。

最常用的钙钛矿光敏材料是甲酰胺铅（CH3NH3PbI3）晶体结构的材料。

它具有优异的光吸收能力、高载流子迁移率和长寿命等特点，使得钙钛矿电池在高效能量转化方面具有巨大潜力。

4.空穴传输材料：空穴传输材料（HTM）位于钙钛矿光敏材料和金属电极之间，起到传输光生空穴的作用。

常见的HTM材料有聚合物、有机小分子等。

与ETM类似，HTM材料的选择也需要具备良好的导电性、光学透明性以及与钙钛矿光敏材料的能级匹配。

5.金属电极：金属电极位于空穴传输材料的顶部，作为电子和空穴的收集和输送通道。

常用的金属电极材料包括银、金、铝等。

金属电极需要具备良好的导电性和光学反射性，以提高电池的输出电流和光吸收效率。

综上所述，钙钛矿电池的结构包括透明导电玻璃/导电基底、电子传输材料、钙钛矿光敏材料、空穴传输材料和金属电极。

这些组成部分相互配合，使钙钛矿电池能够高效地将太阳能转化为电能，具有广阔的应用前景。