钙钛矿太阳能电池材料和器件的研究进展

邓林龙,谢素原,黄荣彬,郑兰荪

(1.厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院,2.厦门大学 化学化工学院,固体表面物理化学国家重点实验室,福建厦门361005)

·综 述·

钙钛矿太阳能电池材料和器件的研究进展

邓林龙1*,谢素原2,黄荣彬2,郑兰荪2

(1.厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院,2.厦门大学 化学化工学院,固体表面物理化学国家重点实验室,福建厦门361005)

基于金属有机卤化物吸光材料的钙钛矿太阳能电池是一种新型太阳能电池,近年来钙钛矿太阳能电池发展迅速,其光电转换效率从2009年的3.8%快速增加到2014年的20.1%,引起人们的广泛关注．本文系统总结了钙钛矿太阳能电池在材料和器件方面的研究进展,分析了钙钛矿太阳能电池发展中存在的主要问题,尤其是对稳定性问题进行了深入探讨,并提出了提高电池稳定性的途径和方法,预示了今后钙钛矿太阳能电池的发展方向．

钙钛矿;太阳能电池;器件结构

随着全球能源消耗和环境破环的日益加剧,传统化石能源很难满足人类经济社会可持续发展的需要．因此,人们一直在寻找清洁的、可再生的能源．太阳能是一种取之不尽、用之不竭的无污染洁净能源,是未来最有希望的能源供应渠道之一．如何有效、低成本地利用太阳能一直备受人们关注．将太阳能通过太阳能电池转化成电能被认为是一种有前途的利用太阳能的途径．传统的硅太阳能电池由于成本高、生产工艺复杂、生产过程会造成环境污染等问题,限制了其大规模的使用．因此,开发高光电转换效率、低成本的新型太阳能电池成为人们关注的重点．近年来,一种以金属有机卤化物作吸光材料的钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells)由于其高光电转换效率、低成本而成为光伏领域研究的热点之一．图1列出了近20年来,几种新型太阳能电池光电转换效率的进展情况,同时列出非晶硅太阳能电池(α-Si)进行对比．从图1可以看出,传统的非晶硅太阳能电池,经过多年的发展,其光电转换效率提升缓慢．相比之下,近年来出现的新型太阳能电池如有机太阳能电池(OPV)、钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池(DSSC)和量子点太阳能电池(quantum dot solar cells),发展较快,光电转换效率提升明显．在各类新型太阳能电池中,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率发展最为迅速,其光电转换效率从2009年的3.8%[1]快速增加到2014年初的19.3%[2],到2014年底,韩国化学技术研究所(KRICT)又将该光电转换效率提升到20.1%[3],引起了国际学术界的高度重视．本文将总结钙钛矿太阳能电池材料和器件方面的研究进展,分析钙钛矿太阳能电池目前存在的主要问题,尤其是稳定性问题,并指出今后的发展方向．

图1 新型太阳能电池光电转换效率近20年来的进展情况

1 钙钛矿太阳能电池材料

钙钛矿太阳能电池一般是由掺杂氟的SnO2(fluorine-tin-oxide,FTO)导电玻璃、电子传输层(如TiO2、富勒烯衍生物等)、钙钛矿吸收层(如CH3NH3PbI3)、空穴传输层(如Spiro-OMeTAD)以及金属电极等部分组成,以FTO/TiO2/CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTAD/Au结构的太阳能电池为例,其工作原理[4]如图2所示．当钙钛矿层吸收太阳光被激发后,产生一对自由电子和空穴;被激发到钙钛矿导带的自由电子扩散到钙钛矿/TiO2界面处,并注入到TiO2的导带中;自由电子在TiO2层中传输并到达FTO电极,然后流经外电路到达Au电极．在自由电子被激发到钙钛矿导带的同时,空穴也在钙钛矿价带产生并扩散到钙钛矿/空穴传输层界面,然后注入到Spiro-OMeTAD的价带中;空穴在空穴传输层中传输并到达Au电极,在此处与自由电子结合,完成一个回路．

图2 钙钛矿太阳能电池的工作原理示意图

钙钛矿太阳能电池材料主要包括钙钛矿吸光材料、空穴传输材料、电子传输材料等,下面分别加以讨论．

1.1 钙钛矿吸光材料

钙钛矿太阳能电池的吸光材料是一种有机-无机杂化钙钛矿结构材料,其化学式为ABX3(A:CH3NH3+、CH(NH2)2+;B:Pb2+、Sn2+;X:I-、Br-、Cl-),晶胞结构如图3所示[5],它是典型的钙钛矿(CaTiO3)晶体结构．在ABX3晶体中,BX6构成正八面体,BX6之间通过共用顶点X连接起来,构成三维骨架,A嵌入八面体空隙中使得晶体结构得以稳定．

图3 钙钛矿晶体结构[5]

钙钛矿太阳能电池中用得最广泛的吸光材料CH3NH3PbI3是直接带隙半导体,带隙约1.5 eV[1],接近单结太阳能电池理论最佳带隙;其吸光系数高达105cm-1,厚度为400 nm左右的钙钛矿材料便能吸收几乎所有的可见光[6];电子和空穴在CH3NH3PbI3中的扩散长度大于100 nm[7],在CH3NH3PbI3-xClx中更是高达1 μm[8],高出材料的吸收长度近一个数量级．这些优点使得以CH3NH3PbI3为代表的钙钛矿材料成为理想的太阳能电池吸光材料．需要注意的一点是,由于钙钛矿材料CH3NH3PbI3具有铁电性,在外加电场的存在下会发生极化,使得钙钛矿太阳能电池在光电特性测试时出现滞后现象[9-16]．滞后现象会导致在电流-电压曲线测量时,不同的扫描速度和方向测得的光伏性能参数不一致,因此,文献报道的光电转换效率需要注明正扫和反扫的数值,并且要注明测试时的扫描速率．

图4 在CsSnI3和CsPbI3中通过A离子取代调控钙钛矿的带隙[18]

图5 钙钛矿太阳能电池中常用的空穴传输材料的分子结构

金属有机卤化物ABX3钙钛矿材料很容易通过改变ABX 3种组分的组合来实现带隙可调,即所谓的能带工程．首先讨论A离子对带隙的影响:在立方钙钛矿结构中,一般认为A不会显著改变能带结构[17],但是,改变A离子的大小可以在小范围内调节钙钛矿的能带结构,更大的A离子可引起整个晶格膨胀而导致带隙减小．以APbI3为例[18],如图4所示,当A为Cs+,methylammonium (MA+)或formanidinium (FA+)时,有效离子半径:Cs+< MA+< FA+,带隙:CsPbI3(1.67 eV)>FAPbI3(1.48 eV)>MAPbI3(1.52 eV)．需要注意的是,当采用比Pb2+更小的Sn2+时,ASnI3带隙变化趋势完全不同于APbI3．接下来讨论金属离子B对带隙的影响:由于Pb是有毒元素,其使用受到一定限制,因此,人们希望开发不含Pb的钙钛矿材料;Sn与Pb处在元素周期表的同一族,自然成为首选．一般来说,基于Sn2+的钙钛矿的带隙比基于Pb2+钙钛矿的带隙小．因此,可以将Sn与Pb混合制备钙钛矿材料,使其吸收到达近红外区．Ogomi等[19]对钙钛矿CH3NH3Sn1-xPbxI3中Pb和Sn的比例进行了广泛的研究,他们发现,通过调节Pb和Sn的比例,钙钛矿的带隙可以在1.17～1.55 eV之间可调,光吸收可以扩展到1 060 nm．尽管含Sn钙钛矿材料的吸收增强了,但是,由于带隙变小,导致器件开路电压降低;加上Sn2+不稳定,容易水解,导致成膜性差,使得器件短路电流和填充因子下降,因此,含Sn钙钛矿电池的性能比含Pb钙钛矿电池差．最后讨论卤素离子的影响:以CH3NH3PbX3为例,随着卤素离子Cl-、Br-、I-半径逐渐增大,CH3NH3PbX3的带隙依次减小,CH3NH3PbCl3的带隙为3.11 eV[20],CH3NH3PbBr3的带隙为2.22 eV[21-22],CH3NH3PbI3的带隙为1.51 eV[21-22]．有意思的是,通过2种卤素混合的方式可以实现钙钛矿带隙的连续可调,比如,Br和Cl混杂[20],I和Br混杂[21],但是,I和Cl混杂并不能明显改变带隙．

1.2 空穴传输材料

空穴传输材料起到传输空穴的作用,对空穴传输材料的要求是其能级与钙钛矿材料的最高已占轨道匹配,并且具备良好的空穴传输能力．空穴传输材料分为有机空穴传输材料和无机空穴传输材料．

有机空穴传输材料根据其分子结构可以分为有机小分子和聚合物空穴传输材料．钙钛矿太阳能电池中使用最广泛的有机小分子空穴传输材料是Spiro-OMeTAD (2,2′,7,7′-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamine)-9,9′-spirobifluorene)[23],其分子结构如图5所示,需要指出的是,采用Spiro-OMeTAD作空穴传输材料需要掺杂锂盐和吡啶衍生物以提高空穴迁移率．Spiro-OMeTAD虽然光电转换效率高,但其制备困难、价格昂贵,因此为了降低电池的成本,开发Spiro-OMeTAD廉价的替代品成为目前空穴传输材料研究的重点．为了替代Spiro-OMeTAD,人们设计合成了一系列有机小分子空穴传输材料,该部分内容在Meng等[24]的综述中得到了详细的介绍．与有机小分子空穴传输材料相比,聚合物空穴传输材料具备更好的成膜性和更高的迁移率,受到人们的关注．聚-3己基噻吩(P3HT)是有机太阳能电池最常用的电子给体材料,Seok等[25]将其作为空穴传输材料用在钙钛矿太阳能电池上,光电转换效率达6.7%．他们同时还研究了其他聚合物空穴传输材料,比如,PCDTBT、PCPDTBT、聚三苯胺(PTAA),发现PTAA的效果比Spiro-OMeTAD好．Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS)是钙钛矿太阳能电池中另一个常用的空穴传输材料[26-28],PEDOT:PSS的优点是可以溶液成膜,尤其适合柔性衬底．

无机空穴传输材料主要有CuI、CuSCN、NiO等,它们具有空穴迁移率高、成本低的优势．Kamat等[29]首次使用CuI作为钙钛矿电池的空穴传输材料,尽管电池光电转换效率不高(6%),低于以Spiro-OMeTAD作为空穴传输材料的电池光电转换效率(7.9%),但CuI较高的导电性和稳定性,使其成为Spiro-OMeTAD的强大竞争对手．Qin等[30]采用CuSCN 作空穴传输材料,由于CuSCN 的空穴迁移率远高于Spiro-OMeTAD,使得器件的短路电流大大增加,电池光电转换效率达到12.4%．Chen等[31]使用NiO作空穴传输材料,通过使用氧气掺杂NiO,电池光电转换效率达到11.6%．钙钛矿电池中使用的其他无机空穴传输材料有:氧化石墨烯[32]、PbS量子点[33]等．

除了对空穴传输材料进行研究外,人们也在研究不使用空穴传输材料．Meng等[34]采用原子层沉积方法在钙钛矿表面制备一层极薄的Al2O3作绝缘层,防止电池短路,然后蒸镀金电极,获得了5%的光电转换效率．Han 等[35]采用价格低廉的碳电极替代Au电极,并使用ZrO2作绝缘层,防止电池短路,利用钙钛矿对空穴优异的传输能力,将空穴传输到阴极,最终获得了6.64%的光电转换效率．为了进一步提高光电转换效率,Han 等[36]用自己开发的混合阳离子型钙钛矿材料取代CH3NH3PbI3,获得了12.84%的光电转换效率,而且具备良好的重复性和稳定性．这是目前无空穴传输材料钙钛矿太阳能电池所取得的最高光电转换效率,充分说明了无空穴传输材料的可行性．

1.3 电子传输材料

电子传输材料起到透光并传输电子,阻挡空穴与电子复合的作用,对电子传输材料的要求是其能级与电极的导带位置匹配,并且具备高的电子迁移率和高的透光率．电子传输材料分为有机电子传输材料和无机电子传输材料．

钙钛矿太阳能电池中常用的电子传输材料是TiO2,一般在FTO或掺锡氧化铟(indium-tin-oxide,ITO)上制备一层致密的TiO2层,其主要作用是减少电子传输中的势垒并且阻隔电极导带电子与钙钛矿价带上空穴的复合．TiO2层制备的方法较多,常用的有喷雾热解、旋涂、丝网印刷、原子层沉积等方法．Grätzel等[37]采用喷雾热解法制备致密TiO2层,需要在450 ℃下高温烧结．Snaith等[38]发展了多种能在低温下旋涂制备TiO2层的方法,光电转换效率高达15.6%．Grätzel等[39]采用TiCl4在70 ℃下水解法制备致密TiO2层,光电转换效率达13.7%．采用原子层沉积制备的TiO2层[40],其质量比喷雾热解和旋涂法制备的质量高．为了利于电子传输,可以采用电子迁移速率比TiO2更高的ZnO[41]作电子传输材料,并且ZnO可以采用低温制备,尤其适合柔性衬底．

如果使用Al作阴极,通常会采用富勒烯衍生物[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PC61BM)[42-45]作电子传输材料．Huang等[42,44]同时也研究了C60和Indene-C60bisadduct (ICBA)作为钙钛矿太阳能电池的电子传输材料．Wu等[46]采用C70衍生物PC71BM作电子传输材料,电池光电转换效率高达16.3%,性能优于PC61BM(9.9%)．最近,Wang和Mohite1等[45]采用PC61BM电子传输材料,优化了微米级的CH3NH3PbI3光活性材料晶粒,使钙钛矿太阳能电池光电转换效率最高达到18% (平均16%左右)．钙钛矿太阳能电池中使用的其他电子传输材料有PFN[26]、石墨烯量子点[47]、CdS[48]、Zn2SnO4[49]等．

Gao等[50]将文献报道的钙钛矿太阳能电池中常用的电子传输材料、吸光材料和空穴传输材料的能级都标在一张图上,如图6所示,该图反映出钙钛矿太阳能电池材料的相对能级位置,方便研究人员对电子传输材料、钙钛矿吸光材料和空穴传输材料进行能带设计和选择．

图6 钙钛矿太阳能电池电子传输材料(左)、吸光材料(中)、空穴传输材料(右)的能级示意图[50]

图7 从DSSC到钙钛矿太阳能电池的演化历史[51]

2 器件结构

钙钛矿太阳能电池是从DSSC发展而来,因此,其器件结构受DSSC器件影响,Snaith[51]用一张图(见图7)描述了从DSSC电池到钙钛矿太阳能电池器件结构的演化历史．从图中可以看出,短短几年之间,钙钛矿太阳能电池发展出了多种器件结构．一般将钙钛矿太阳能电池的器件结构分为介孔结构(mesopscopic structure)和平面异质结(planer heterojuction)2种,下面分别介绍这2种器件结构的特点及研究进展．

2.1 介孔结构

钙钛矿材料起初是作为一种新颖的染料被用在液态电解质DSSC中[1,52],其器件结构同典型的DSSC相似,钙钛矿作为染料吸附在介孔TiO2上面．由于液态电解质对钙钛矿材料的腐蚀,导致器件很快失效．Park等[5,53]采用固态空穴传输材料Spiro-OMeTAD代替液态电解质,于是钙钛矿太阳能电池诞生了．到目前为止,文献报道的大多数钙钛矿太阳能电池仍然是采用介孔TiO2作框架材料,其器件结构如图8所示,介孔结构由FTO电极、致密TiO2层、TiO2多孔层、钙钛矿吸收层、空穴传输层、Au电极组成．TiO2是最典型的框架材料,可以通过溶液旋涂的办法使得钙钛矿纳米晶进入多孔TiO2层的孔隙中,形成互连的吸收层．在这里,TiO2不仅起到支撑的作用,同时其还起到传输电子的作用．除了使用TiO2,ZnO纳米棒[54]也可以作框架材料,不过光电转换效率不及TiO2．此外,也可以用绝缘的Al2O3[5]或ZrO2[55]作为框架材料．介孔结构的采用使得在低温、溶液成膜下制备的钙钛矿吸收层仍然能够获得较高的光电转换效率．

图8 介孔结构钙钛矿太阳能电池的器件结构示意图

2.2 平面异质结

随着钙钛矿薄膜质量的提高,以及人们对钙钛矿材料的性能,尤其是载流子输运性能认识的加深,平面异质结钙钛矿太阳能电池应运而生．与介孔结构相比,平面异质结的器件结构简单,增加了器件优化的灵活性,为发展叠层结构提供可能,并且有利于对器件物理开展研究．因此,研究平面异质结的人越来越多,平面异质结逐渐成为主流．典型的平面异质结是由一层钙钛矿吸收层夹在电子传输层和空穴传输层之间构成的,如图9所示．

图9 平面异质结钙钛矿太阳能电池的器件结构示意图

Snaith等[5]首先尝试制备了器件结构为FTO/TiO2/CH3NH3PbI2Cl/Spiro-OMeTAD/Ag的平面异质结钙钛矿太阳能电池,由于溶液法制备的钙钛矿吸收层的质量较差,不能完全覆盖TiO2基底,并且薄膜的均匀性较差,导致电池光电转换效率较低,只有1.8%．随后,他们改进了钙钛矿吸收层的制备方法,采用共蒸发法制备高质量的钙钛矿吸收层,采用相同器件结构,电池光电转换效率达到了15.4%[56]．他们的研究结果表明,不需要采用复杂的介孔结构,简单的平面异质结器件也能获得高光电转换效率．Zhou等[2]采用钇掺杂TiO2,使得TiO2层的电子迁移率更高,同时对ITO进行修饰,降低ITO的功函,有利于电子由TiO2层注入ITO电极;通过界面修饰,使得平面异质结器件的开路电压和短路电流都有较大提高,电池光电转换效率高达19.3%．Malinkiewicz等[27]采用PEDOT:PSS代替传统的致密TiO2薄膜,制备器件结构为ITO/PEDOT:PSS/PolyTPD/CH3NH3PbI3/PCBM/Au的钙钛矿太阳能电池,电池光电转换效率达到12%．这种结构后来被称为倒置平面异质结,为柔性钙钛矿太阳能电池的制备提供了思路．

3 器件制备工艺

以平面异质结FTO/TiO2/CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTAD/Au为例,简述钙钛矿太阳能电池的制备工艺．FTO基片经过刻蚀、清洗、表面处理之后,通过旋涂或喷雾热解在FTO上面制备一层致密的TiO2层,然后制备钙钛矿吸收层,接下来在钙钛矿吸收层上旋涂一层Spiro-OMeTAD空穴传输层,最后在真空下蒸镀一层金电极完成整个器件的制作．其中,钙钛矿吸收层的制备是决定光电转换效率的关键,因此,接下来我们详细讨论钙钛矿吸收层的制备工艺．经过多年的发展,目前已经有多种制备钙钛矿薄膜方法,最常用的有4种,如图10所示,下面分别加以介绍．

图10 4种常用的制备钙钛矿薄膜的方法

3.1 溶液法

溶液法简单经济,按沉积步骤可分为一步法(one-step precursor deposition)和两步法(sequential deposition method)．一步法是将PbI2(或PbCl2)和CH3NH3I按一定化学计量比溶解在溶剂中(常用的溶剂是二甲基甲酰胺(DMF)、γ-丁内酯、二甲基亚砜(DMSO)等)组成前驱体溶液,然后滴在基底上通过旋涂成膜[5,53]．一步法简单,但是薄膜质量差,很难获得均匀、覆盖度高的薄膜[56]．为了获得高质量的薄膜,必须对钙钛矿成膜过程进行精细控制．为此,研究人员发展了多种方法来控制一步法的成膜质量,常见的有溶剂工程[57-61],制备过程引入氯源[5,62-63],采用甲苯、氯苯等不良溶剂处理[57-59]等．目前,一步法制备的光电转换效率可达16%．

为了克服一步法对钙钛矿薄膜形貌难以控制的缺点,Grätzel等[37]提出两步法制备钙钛矿薄膜．首先将PbI2的饱和DMF溶液旋涂在多孔TiO2层上,干燥后,再将TiO2/PbI2薄膜浸入CH3NH3I 的异丙醇溶液中进行原位反应,干燥后得到CH3NH3PbI3薄膜．在这个过程中,PbI2晶体的尺寸被TiO2纳米颗粒的空隙限制在20 nm以内,提高了PbI2与CH3NH3I 反应的接触面积,使反应更充分;同时,反应产物的形貌受PbI2前驱物的形貌影响而得到了控制．利用这种方法,能够很好地控制钙钛矿薄膜的形貌,制备出高质量的钙钛矿薄膜,光电转换效率达到15%．需要指出的是,这种将PbI2薄膜浸泡在CH3NH3I溶液中形成钙钛矿薄膜的方法只适合于介孔结构,不太适合平面异质结．为了在平面异质结器件上采用两步法制备钙钛矿薄膜,Huang研究组[64]报道了两步溶液扩散法制备钙钛矿薄膜．他们首先将PbI2旋涂在ITO/PEDOT:PSS基底上,然后在PbI2层上旋涂CH3NH3PbI3的异丙醇溶液,接下来进行热退火,在退火过程中,CH3NH3PbI3扩散到PbI2层中反应并形成钙钛矿．采用这种方法可以在低温下制备无针孔的钙钛矿薄膜,电池光电转换效率达到15.4%．

溶液法制备钙钛矿薄膜,工艺简单,但是薄膜质量相对较差,薄膜缺陷多,容易出现针孔,使空穴传输层与电子传输层直接接触,导致电池开路电压和填充因子降低,从而影响电池光电转换效率．

3.2 共蒸发法

为了克服溶液法的缺点,Snaith研究组[37]利用双源气相共蒸发法(vapor deposition),将PbI2和CH3NH3Cl同时加热蒸发,使之在致密TiO2基底上反应,得到了结构致密、均匀的高质量钙钛矿薄膜,制备的电池光电转换效率高达15.4%．

采用共蒸发法制备的钙钛矿薄膜质量比溶液法好,薄膜缺陷少、结构致密、表面均一性好．但是该方法需要高真空,并且PbI2蒸汽有毒,需要严格控制以防泄漏,这不仅对设备的要求较高,而且对能量消耗大,极大地增加了电池制备的成本．

3.3 气相辅助溶液法

溶液法制备的钙钛矿薄膜会出现针孔以及表面覆盖不全的问题;共蒸发法制备的薄膜质量好,但成本高．针对这种情况,Yang研究组[65]报道了一种气相辅助溶液法(vapor-assisted solution process)制备钙钛矿薄膜．首先通过溶液法将PbI2旋涂在FTO/TiO2基底上,然后在150 ℃,N2气氛下将CH3NH3I蒸汽沉积到PbI2薄膜上,通过原位反应生长出钙钛矿薄膜．气相辅助溶液法制备的钙钛矿薄膜比溶液法制备的钙钛矿薄膜质量好,薄膜表面平整、覆盖度高、晶粒尺寸大;并且整个制备过程对真空无特殊要求,比共蒸发法经济．

4 稳定性

在广大研究人员的努力下,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经达到20%[2-3]的水平．随着钙钛矿太阳能电池的光电转换效率取得突破性进展,人们认识到钙钛矿太阳能电池的长期稳定性是决定其能否商业化应用的关键,因此将研究的重点逐渐转移到钙钛矿太阳能电池的稳定性上来．

钙钛矿太阳能电池的稳定性主要受钙钛矿材料的有机-无机晶格结构的稳定性限制．钙钛矿材料对水气十分敏感,在水气存在下,钙钛矿CH3NH3PbI3的晶格被破坏,接着迅速分解为CH3NH3I和PbI2,导致器件失效．Seok等[21]发现,通过Br部分取代I得到的钙钛矿材料CH3NH3Pb(I1-xBrx)3,其稳定性明显高于CH3NH3PbI3．另一种有效提高钙钛矿太阳能电池稳定性的方法是避免钙钛矿吸收层与水气接触,采用的方法包括将器件封装起来和采用疏水性空穴传输层．Grätzel研究组[37]将电池封装起来,在持续光照500 h后,电池的光电转换效率仍然保持封装前的80%．Han研究组[66]采用疏水性长烷基链取代的四硫代富瓦烯衍生物作空穴传输材料,减缓水气通过空穴传输层进入钙钛矿层,有效地提高了器件的稳定性．最近,他们组采用10 μm厚的导电碳材料作背电极[36],有效地阻碍水气进入钙钛矿层,器件在空气中持续光照1 000 h,光电转换效率没有明显下降．

综上所述,提高钙钛矿太阳能电池的稳定性需要考虑两个方面．第一,优化钙钛矿材料,降低其对水气的敏感性;第二,优化器件结构设计,通过引入疏水层将器件与外界水气隔离．尽管研究人员在钙钛矿太阳能电池的稳定性方面取得了一些进展,但是钙钛矿太阳能电池要进行商业化应用,必须满足电池在长期使用中对稳定性的苛刻要求．因此,必须在钙钛矿材料和器件两方面努力,进一步改善钙钛矿太阳能电池的稳定性以满足实际应用要求．

5 结束语

钙钛矿太阳能电池发展突飞猛进,经过短短几年时间,其光电转换效率已经达到20%,超越了非晶硅,直逼多晶硅的水平．但是,钙钛矿太阳能电池要真正进入商业化应用阶段,还需要解决以下几个问题:1) Pb元素的毒性;2) 长期稳定性;3) 成本．高效钙钛矿太阳能电池所使用的钙钛矿吸光材料都是含Pb的,而Pb元素由于其毒性导致应用受到限制,因此,研究如何防止电池中的Pb元素渗透到环境中以及开发不含铅的钙钛矿吸光材料是未来的研究方向之一．现在,钙钛矿太阳能电池的寿命可以达到1 000 h,但是,这对于商业化应用来说是远远不够的．为了使钙钛矿太阳能电池的使用寿命能够达到20年甚至更长时间,需要研究人员在理解钙钛矿材料降解机理、开发新型材料和器件封装技术等方面做出大量工作．钙钛矿太阳能电池材料和器件制备的成本也是商业应用必须考虑的问题,必须发展钙钛矿太阳能电池组件批量生产技术以降低成本．我们希望在不久的将来,钙钛矿太阳能电池能够像Si太阳能电池那样走进千家万户．

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Research Progress in Perovskite Solar Cell Materials and Devices

DENG Lin-long1*,XIE Su-yuan2,HUANG Rong-bin2,ZHENG Lan-sun2

(1.Pen-Tung Sah Institute of Micro-Nano Science and Technology,Xiamen University,2.State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces,College of Chemistry and Chemical Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

Perovskite solar cell based on organometal halide ligh-absorbing material is a new type of solar cell,with its power conversion efficiency increasing from 3.8% in 2009 up to 20.1% in 2014,and has attracted much attention with its rapid development in recent years.In this review,the research progress in photovoltaic materials and devices of perovskite solar cells is summarized,the main problems existing in the development of perovskite solar cells are analyzed,especially the stability problem,and approaches to improve the stability of devices and future development of perovskite solar cells are discussed.

perovskite;solar cells;device structure

2015-03-17 录用日期：2014-06-10

国家自然科学基金(21390391,U1205111);中央高校基本科研业务费专项(20720140512)

邓林龙,谢素原,黄荣彬，等.钙钛矿太阳能电池材料和器件的研究进展[J].厦门大学学报:自然科学版，2015,54(5)：619-629.

：Deng Linlong,Xie Suyuan,Huang Rongbin,et al．Research progress in perovskite solar cell materials and devices[J].Journal of Xiamen University:Natural Science，2015,54(5)：619-629．(in Chinese)

10.6043/j.issn.0438-0479.2015.05.005

新能源材料专题

TM 914

A

0438-0479(2015)05-0619-11

* 通信作者：denglinlong@xmu.edu.cn