鈣鈦礦太陽能電池的研究進(jìn)展

楊 林，左智翔，于鳳琴，紀(jì)三郝，王天華，王鳴魁

（1.中化化工科學(xué)技術(shù)研究總院，北京 100083；2. 華中科技大學(xué)光電國家實驗室（籌），湖北 武漢 430074）

鈣鈦礦太陽能電池的研究進(jìn)展

楊 林1，左智翔2，于鳳琴1，紀(jì)三郝1，王天華1，王鳴魁2

（1.中化化工科學(xué)技術(shù)研究總院，北京 100083；2. 華中科技大學(xué)光電國家實驗室（籌），湖北 武漢 430074）

近年來，得益于鈣鈦礦材料突出的光學(xué)和電學(xué)特性，全固態(tài)鈣鈦礦基太陽電池效率不斷取得突破，現(xiàn)已超過20%。業(yè)界紛紛期待著鈣鈦礦電池的產(chǎn)業(yè)化前景。文章介紹了鈣鈦礦作為光電材料的一些光學(xué)、電學(xué)性能，回顧了鈣鈦礦電池的發(fā)展歷程。圍繞基本結(jié)構(gòu)，論述了鈣鈦礦電池中的基本光電轉(zhuǎn)換過程，并對各種衍生結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦電池進(jìn)行了羅列、分類，重點介紹了無空穴傳輸層的鈣鈦礦電池，闡明了無空穴傳輸層電池在穩(wěn)定性和使用壽命、成本控制等關(guān)鍵問題上的優(yōu)勢所在，同時基于廉價碳電極的無空穴傳輸層太陽電池效率也已接近15%，且仍有較大提升空間。

鈣鈦礦電池；光電轉(zhuǎn)換效率；異質(zhì)結(jié)；空穴傳輸層；碳電極

根據(jù)美國能源信息局的報告，預(yù)計到2035年，全球能源消耗將比現(xiàn)在增加50%，其中，化石能源消耗將占世界能源消耗總量的86%［1］。可以說用“能源危機(jī)”來描述當(dāng)前的形勢絲毫不為過。而化石能源鏈條一旦中斷，必將導(dǎo)致世界經(jīng)濟(jì)危機(jī)和沖突的加劇，最終葬送現(xiàn)代市場經(jīng)濟(jì)。與此同時，大量消耗化石能源導(dǎo)致的溫室氣體排放，不僅使全球氣候發(fā)生變化，海平面上升，還將造成全球大氣環(huán)流調(diào)整和氣候帶向極地擴(kuò)展。總之，在世界能源現(xiàn)狀日益拮據(jù)，化石能源遲早面臨枯竭，環(huán)境污染問題頻發(fā)的今天，尋求新能源成了當(dāng)今世界、當(dāng)今中國最迫切的選擇。

太陽能作為一種清潔的可再生能源，開發(fā)利用太陽能，能夠同時解決環(huán)境污染問題和滿足全球范圍內(nèi)日益增長的能源需求。目前對太陽能的利用主要是基于光伏原理的太陽能電池。太陽能電池的種類有很多，按照出現(xiàn)的先后順序，大體可以分為三代。一代單晶硅、多晶硅太陽能電池是目前市場上的主流產(chǎn)品，工藝成熟，光電轉(zhuǎn)換效率高，但是高純硅材料成本太高，工藝復(fù)雜，限制了它的大規(guī)模應(yīng)用。二代多元化合物薄膜太陽能電池雖然也有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，但是它的一些原材料屬稀有元素，而且像鎘具有嚴(yán)重的污染性。這樣就催生了三代太陽能電池，該代太陽能電池具有取材廣泛、性能提升空間大等諸多優(yōu)點，雖尚未發(fā)展到實際應(yīng)用階段，但它們是目前學(xué)術(shù)界廣泛研究的熱點。

在三代太陽能電池中，鈣鈦礦太陽電池（Perovskite Solar Cell， PSC）最近幾年發(fā)展勢頭尤為迅猛。圖1是各種太陽能電池效率發(fā)展史及最高效率，從圖1中可以看到PSC在2009年效率只有3.8%［2］，到現(xiàn)在已經(jīng)超過20%，發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于同為三代太陽能電池的染料敏化太陽能電池（DSC）和有機(jī)聚合物太陽能電池（OPV）。基于有機(jī)金屬鹵化物的PSC被認(rèn)為是近年來光伏領(lǐng)域最重要的發(fā)明之一。自從2012年報道第一篇關(guān)于全固態(tài)太陽能電池用CH3NH3PbI3作為吸光材料以后，通過調(diào)整PSC內(nèi)部界面的能級結(jié)構(gòu)和改善控制電池薄膜的質(zhì)量和形態(tài)以及設(shè)計一系列不同的電池結(jié)構(gòu)，PSC的效率不斷取得突破。

圖1 各種太陽能電池的效率發(fā)展史及最高效率

1 鈣鈦礦太陽電池的發(fā)展概況

1.1 鈣鈦礦材料

PSC以鈣鈦礦吸收層為核心部分，鈣鈦礦分子微觀結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。它的分子式為ABX3，目前報道的PSC大部分使用的鈣鈦礦為CH3NH3PbI3，所以圖2中，A代表甲胺基團(tuán)位于面心立方晶格頂角位置，B代表鉛原子位于八面體核心，鹵素碘原子在八面體頂角。這種結(jié)構(gòu)的特點是非常穩(wěn)定，而且中間八面體間隙大，可以填充較大尺寸離子，具有較高的缺陷容忍度。CH3NH3PbI3由于具備極好的光學(xué)以及電子學(xué)特性，在過去20年中作為光學(xué)材料被廣泛研究。其直接禁帶寬度為1.55eV，對應(yīng)的吸收截止光波長為800nm，覆蓋了整個可見光譜范圍，是最佳的光吸收材料之一［4］。 通過光吸收法測試，得到CH3NH3PbI3吸收光產(chǎn)生的光生載流子具備較小的束縛能（約為30meV），表示該光生載流子能夠有效分離成自由電荷［5］。CH3NH3PbI3中載流子擴(kuò)散長度達(dá)到100nm以上，這預(yù)示著其應(yīng)用于高效率器件成為可能［6-7］。

圖2 鈣鈦礦材料分子結(jié)構(gòu)示意圖

此外，用其它鹵族元素替代I形成的鈣鈦礦材料也被廣泛研究，其中CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbI3-xClx最受關(guān)注。與CH3NH3PbI3比較，Br的引入會提高鈣鈦礦導(dǎo)帶位置，降低價帶位置，從而將CH3NH3PbBr3的直接禁帶寬度提升為2.2eV［8-9］。高導(dǎo)帶能級有利于實現(xiàn)鈣鈦礦與電子選擇性接觸電極間的電荷注入，可有效提升器件的開路電壓［10］。但是寬禁帶會減小鈣鈦礦材料的吸收光譜范圍，CH3NH3PbBr3的吸收截止光波長小于550nm，因而限制了器件的光電流。此外CH3NH3PbBr3產(chǎn)生的光生載流子有較大的束縛能，約為150meV，因此和CH3NH3PbI3比較，它的光生載流子變成自由電荷更困難［11］。因此，目前基于CH3NH3PbBr3的PSC效率一直低于CH3NH3PbI3器件。與Br稍有差異，Cl離子的引入可以同時提高鈣鈦礦的導(dǎo)帶和價帶位置，因此最終的直接禁帶寬度較CH3NH3PbI3幾乎沒有變化。 但是這種對導(dǎo)帶價帶位置的細(xì)微調(diào)節(jié)可以極大促進(jìn)光生載流子的傳輸與擴(kuò)散。相關(guān)實驗證明，CH3NH3PbI3-xClx中電子空穴擴(kuò)散長度均大于1 μm。

1.2 鈣鈦礦太陽電池的效率發(fā)展

Kojima等在2009年首次將鈣鈦礦材料應(yīng)用在量子點敏化太陽電池中，得到了3.8%的效率。隨后2011年P(guān)ark等［12］通過對TiO2襯底表面進(jìn)行修飾，同時優(yōu)化了鈣鈦礦的制備工藝，將電池效率做到了6.5%。但是因為未能解決液態(tài)電解質(zhì)不穩(wěn)定的問題，電池效率衰減迅速。2012年Kim等［13］將一種固態(tài)的空穴傳輸材料spiro-OMeTAD引入到PSC中，制備出第一塊全固態(tài)PSC，電池效率達(dá)到9.7%。即使未經(jīng)封裝，電池在經(jīng)過500h后，效率衰減也很少。空穴傳輸層（Hole Transport Material， HTM）的使用，初步解決了液態(tài)電解質(zhì)PSC不穩(wěn)定與難封裝的問題。

圖3 鈣鈦礦太陽電池效率發(fā)展圖

隨后Snaith等［14］將Cl元素引入鈣鈦礦材料，并使用Al2O3替代TiO2，證明鈣鈦礦不僅可作為光吸收層，還可作為電子傳輸層（Electron Transport Material， ETM），所得電池效率為10.9%。同樣是在2012年，瑞士的Etgar等［15］在氧化鈦基底上直接沉積CH3NH3PbI3，形成CH3NH3PbI3/TiO2異質(zhì)結(jié)，所制備電池效率為5.5%。這說明鈣鈦礦材料除可用作光吸收層和ETM外，還可用作HTM。自2013年開始，PSC迅速發(fā)展。首先Grtzel等人［16］發(fā)明了序列沉積方法制備鈣鈦礦薄膜，電池效率高達(dá)15%。接著Snaith等［17］采用氣相蒸發(fā)法制備了全新的平面異質(zhì)結(jié)PSC，效率為15.4%。隨后，Yang等［18］將溶液法和氣相法結(jié)合制備了效率為12.1%的PSC。2014年初，韓國的KRICT研究所已經(jīng)將PSC的轉(zhuǎn)換效率提升到17.9%［19］。到5月份，Yang等更是通過摻Y(jié)修飾TiO2層，將轉(zhuǎn)換效率提升到19.3%［20］?，F(xiàn)在KRICT研究所已經(jīng)制備出轉(zhuǎn)換效率為20.2%的PSC，并已通過認(rèn)證，這種發(fā)展速度（圖3）是前所未有的。

2 鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理

PSC的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括鈣鈦礦材料的光吸收層、電子傳輸層、空穴傳輸層、工作電極等?；竟怆娹D(zhuǎn)換過程如圖5所示：1）在光照下，能量大于光吸收層禁帶寬度的光子將光吸收層中的價帶電子激發(fā)至導(dǎo)帶，并在價帶中留下空穴；2）當(dāng)光吸收層導(dǎo)帶能級高于電子傳輸層導(dǎo)帶能級時，光吸收層的導(dǎo)帶電子注入到后者的導(dǎo)帶中；3）電子進(jìn)一步輸運(yùn)至陽極和外電路；4）當(dāng)光吸收層價帶能級低于空穴傳輸層的價帶能級時，光吸收層的空穴注入到空穴傳輸層中；5）空穴輸運(yùn)至陰極和外電路中電子相遇。除上述光電能量轉(zhuǎn)化過程外，還存在一些能量損失過程，比如在光吸收層中，高能量激發(fā)態(tài)的電子/空穴會快速弛豫至導(dǎo)帶底/價帶頂；在光吸收層兩側(cè)界面處，存在電荷復(fù)合中心，導(dǎo)致不必要的電荷和能量損失。改善這些能量損失問題可以有效提高器件的效率。

圖4 鈣鈦礦太陽電池基本結(jié)構(gòu)

圖5 鈣鈦礦太陽電池基本工作原理示意圖

此外，在PSC的發(fā)展過程中，圍繞圖4所示的基本結(jié)構(gòu)，衍生了其他一系列不同PSC結(jié)構(gòu)。圖6所示為典型的介孔結(jié)構(gòu)PSC示意圖，其結(jié)構(gòu)組成包括導(dǎo)電玻璃基底、致密層、介孔氧化物層、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層、金屬對電極。在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，Grtzel等使用TiO2并發(fā)明兩步法獲得了15%的轉(zhuǎn)換效率。Snaith等將圖6中的介孔氧化物層換成絕緣的Al2O3材料，制備了介孔超結(jié)構(gòu)型的器件。進(jìn)一步，Snaith等去掉了Al2O3層，制備了全新的平面異質(zhì)結(jié)PSC。同時Grtzel等還在介孔結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上將HTM層去掉，制備出一種含CH3NH3PbI3/TiO2異質(zhì)結(jié)的無HTM層結(jié)構(gòu)。另外Malinkiewicz等［21］把鈣鈦礦吸光層用于有機(jī)太陽電池結(jié)構(gòu)，并用PCBM、PEDOT：PSS分別作為電子傳輸層和HTM層，實現(xiàn)了較高的轉(zhuǎn)換效率。由于CH3NH3PbI3具備雙極性載流子輸運(yùn)性質(zhì)，因此將其用來敏化P型寬禁帶半導(dǎo)體氧化物。Chen等［22］在介孔NiO薄膜上沉積CH3NH3PbI3作為光吸收材料，制備了反式介孔結(jié)構(gòu)的PSC。Yang等［23］用溶膠凝膠法處理得到NiO致密層，制備了基于NiO的反式結(jié)構(gòu)平板異質(zhì)結(jié)電池。

圖6 介孔結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽電池示意圖

總之，目前存在的不同結(jié)構(gòu)PSC大都是由圖6所示的介孔結(jié)構(gòu)發(fā)展演變而來的。并且無論是N型電池還是反式P型電池都已取得了較長足的發(fā)展。各類器件的開路電壓普遍在1V左右，短路電流密度約為20 mA·cm-2，填充因子處于0.6～0.8之間，轉(zhuǎn)換效率接近或超過15%。

3 無空穴傳輸層的鈣鈦礦太陽電池

PSC中空穴的產(chǎn)生和收集效率是決定電池能量轉(zhuǎn)化效率的一個重要因素。目前存在的高效率PSC大都以Spiro-OMeTAD作為空穴傳輸介質(zhì)，但是這里存在幾個問題。首先是有機(jī)空穴傳輸材料Spiro-OMeTAD不穩(wěn)定，影響器件的穩(wěn)定性和電池使用壽命；其次Spiro-OMeTAD的價格是黃金的10倍，規(guī)?；院蟛痪哂谐杀緝?yōu)勢；同時，無論是在介孔結(jié)構(gòu)還是在平板結(jié)構(gòu)中都對這種有機(jī)空穴傳輸層的薄膜質(zhì)量和厚度有著苛刻的要求。因此發(fā)展無HTM的PSC是簡化電池結(jié)構(gòu)和制備工藝，降低電池生產(chǎn)成本以及提高電池穩(wěn)定性和使用壽命的重要途徑。

按照電池的對電極所使用材料的不同將無HTM的PSC分為兩類，一類是基于金屬電極的無HTM的PSC，主要是Au電極；另一類是基于碳電極的無HTM的PSC。以下將分別就兩類無HTM的PSC展開敘述。

3.1 基于Au電極的無HTM的PSC

無HTM的PSC最初是由Etgar及其合作者發(fā)展起來的，采用一步法在400nm厚度的TiO2納米片上沉積鈣鈦礦材料，然后蒸鍍金電極，結(jié)果表明CH3NH3PbI3在電池中可以同時充當(dāng)光吸收層和空穴傳輸層，于是這種結(jié)構(gòu)簡單的CH3NH3PbI3/TiO2異質(zhì)結(jié)電池在一個標(biāo)準(zhǔn)太陽光下獲得了5.5%的轉(zhuǎn)換效率，且在更低強(qiáng)度的光照下，電池效率為7.3%。接著Laban與Etga r合作，繼續(xù)采用圖7所示的電池結(jié)構(gòu)，在約300 nm厚的TiO2介孔層上沉積鈣鈦礦，將電池效率提高到8.04%，其中短路電流密度達(dá)到了18.8 mA·cm-2，僅比有HTM的介孔PSC稍低［24］。

圖7 CH3NH3PbI3/TiO2異質(zhì)結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖

由于任意比例的溴碘化鉛鈣鈦礦已經(jīng)被報道可用來傳導(dǎo)空穴，隨后Aharon等人通過兩步法在介孔TiO2基底上制備了CH3NH3PbInBr3-n光吸收層/空穴傳輸層，然后蒸鍍金電極，利用CH3NH3PbInBr3-n對鈣鈦礦的帶隙寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終獲得了8.54%的器件轉(zhuǎn)換效率［25］。進(jìn)一步，Etgar小組利用改進(jìn)的兩步法對CH3NH3PbI3/TiO2異質(zhì)結(jié)電池體系進(jìn)行了一次系統(tǒng)的研究，包括對致密層TiO2和介孔層TiO2薄膜的厚度優(yōu)化以及對沉積PbI2的時間參數(shù)進(jìn)行了選擇，優(yōu)化后的電池轉(zhuǎn)換效率為10.85%，短路電流密度提高到19 mA·cm-2。同時發(fā)現(xiàn)CH3NH3PbI3/TiO2異質(zhì)結(jié)中耗盡區(qū)的寬度影響著器件的轉(zhuǎn)換效率，當(dāng)有一半寬度的氧化鈦薄膜被耗盡時，器件效率最高［26］。

此外，國內(nèi)研究者在無HTM的PSC領(lǐng)域也取得了一些研究成果。中科院物理研究所的孟慶波等人［27］通過兩步法在介孔氧化鈦薄膜上形成了一層均勻連續(xù)的鈣鈦礦帽子層，制備的器件效率約為10.5%，開路電壓達(dá)到948mV，且電池中的載流子壽命超過50ns。

3.2 基于碳電極的無HTM的PSC

但是，對于未來PSC的大規(guī)模運(yùn)用，Au電極的使用無疑會增加電池的生產(chǎn)成本。因此，在進(jìn)一步提高電池效率的同時，發(fā)展低成本的非Au電極是非常重要的。Ku等［28］制備了一種單基板結(jié)構(gòu)PSC，如圖8所示，不使用有機(jī)空穴傳輸材料，用絕緣材料ZrO2作為支架防止電池短路。整個制備過程采用全絲網(wǎng)印刷工藝，避免了高真空高能耗的蒸鍍工藝。最重要的是他們用碳電極取代了Au電極，因為碳（-5.0eV）的功函與Au（-5.1eV）十分接近，可以很好地成為Au的替代品，而且碳電極在染料敏化太陽能電池中研究較多，能夠很好地加以借鑒。最后制備的器件獲得了6.64%的光電轉(zhuǎn)化效率。

圖8 單基板結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦電池示意圖

接著，Mhaisalkar等［29］在他們的器件中，通過層壓方法將碳納米管轉(zhuǎn)移到鈣鈦礦基底上作為空穴導(dǎo)體和對電極，采用碳納米管與鈣鈦礦直接接觸的結(jié)構(gòu)，制備的器件效率為6.87%。之后Rong等［30］繼續(xù)圍繞圖8所示的PSC結(jié)構(gòu)，并將納米顆粒的介孔TiO2層換成TiO2納米片，利用TiO2納米片（001）面與鈣鈦礦接觸，增加活性界面，進(jìn)一步將電池效率提升到了10.64%。

2014年7月，Mei 等［31］在Science上報道了用混合陽離子鈣鈦礦材料（碘鉛甲胺-5-氨基戊酸）取代CH3NH3PbI3，用ZrO2作支架，不使用空穴傳輸材料，獲得了12.84%的光電轉(zhuǎn)換效率，這是目前無HTM的PSC所取得的最高認(rèn)證轉(zhuǎn)換效率，充分說明了無HTM的PSC的可行性，而且為合成新鈣鈦礦材料提供了新的思路。且制備的電池具有非常好的穩(wěn)定性，在空氣中全日光照射下能維持1000h以上。

2014年，Liu等［32］用介孔NiO材料替換TiO2/ ZrO2/Carbon結(jié)構(gòu)PSC中的ZrO2層，制備了效率為11.4%的無HTM的PSC，比替換之前的電池效率高約39%。并通過對比含ZrO2結(jié)構(gòu)和含NiO結(jié)構(gòu)的PSC，發(fā)現(xiàn)后者中的電荷壽命更長，空穴收集效率更高。隨后Xu等［33］提出了一種全新的電池結(jié)構(gòu)，如圖9（c）所示，利用N型TiO2、I型ZrO2以及P型NiO材料搭建了一個介孔P-I-N的框架結(jié)構(gòu)，再加上碳電極，通過兩步法在介孔層和碳層中形成鈣鈦礦，制備的電池效率高達(dá)14.9%，又一次刷新了無HTM的PSC的最高效率。同時Xu還利用電化學(xué)阻抗測試深入研究了圖9所示的3種結(jié)構(gòu)的無HTM的PSC，發(fā)現(xiàn)在圖9（c）的結(jié)構(gòu)中存在有更長的電荷壽命和更低的電荷復(fù)合程度。

圖9 （a）TiO2/ZrO2/Carbon結(jié)構(gòu)PSC；（b）TiO2/NiO/ Carbon結(jié)構(gòu)PSC；（c）TiO2/ZrO2/ NiO/Carbon結(jié)構(gòu)PSC［33］

總之，鑒于最近幾年P(guān)SC效率突飛猛進(jìn)的發(fā)展態(tài)勢，努力朝著實現(xiàn)PSC產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展目標(biāo)，無HTM的PSC因結(jié)構(gòu)和制備工藝簡單，電池生產(chǎn)成本較低以及在穩(wěn)定性和使用壽命等方面的諸多優(yōu)勢，更深入地研究發(fā)展無HTM的PSC意義重大。目前基于Au電極的鈣鈦礦/TiO2異質(zhì) 結(jié)電池效率已經(jīng)超過10%，想進(jìn)一步較大幅度提高電池效率的可能性不大，且在規(guī)模化生產(chǎn)應(yīng)用中，昂貴的Au電極帶來的成本劣勢明顯，所以價格低廉的碳電極脫穎而出。Mei等人制備的基于碳電極的混合陽離子鈣鈦礦/ TiO2異質(zhì)結(jié)電池效率達(dá)到12.8%；Xu等人基于介孔P-I-N框架結(jié)構(gòu)制備了效率為14.9%的無HTM的PSC。Mei和Xu等人的研究成果是實現(xiàn)PSC產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中的重要里程碑。下一步，從界面工程、結(jié)構(gòu)工程以及材料與能帶工程等幾個方面入手開展研究，相信基于碳電極的無HTM的PSC效率會不斷取得新的突破。

4 總結(jié)與展望

作為第三代太陽能電池的延續(xù)與代表，PSC如此快的發(fā)展速度吸引了足夠多的關(guān)注。鑒于目前的PSC最高效率已經(jīng)突破20%，各種衍生結(jié)構(gòu)的PSC效率大都達(dá)到接近15%的水平，使得進(jìn)一步提高現(xiàn)有各種結(jié)構(gòu)PSC光電轉(zhuǎn)換效率的難度越來越大。由于對PSC電池體系的理論研究從一開始就滯后于電池效率的發(fā)展，因此后面更深入地研究PSC器件的工作機(jī)理將變得愈加重要。

進(jìn)一步，鹵族混合鈣鈦礦較單鹵素鈣鈦礦具有更好的光吸收特性以及結(jié)晶特性，而且相關(guān)研究表明前者具備更長的載流子擴(kuò)散長度，因此對鹵族混合鈣鈦礦的研究也將受到更多的關(guān)注。另外如果能夠?qū)⑩}鈦礦材料的吸收光譜進(jìn)一步擴(kuò)展到紅外部分，也必將使PSC的效率達(dá)到新的高度。同時考慮到鉛有毒，會破壞人的神經(jīng)系統(tǒng)，所以制備無鉛鈣鈦礦也是一個很重要的方面。

此外，由于鈣鈦礦材料本身的原因，電池效率的提高也對電池封裝提出了更高的要求。同時PSC要想實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，以目前的使用壽命還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。通常PSC器件在暗態(tài)下的穩(wěn)定性較好，可以達(dá)到1000h甚至更多，但在光照下電池效率衰減很快，因此后面需要著重研究提高PSC在光照下的使用壽命。鑒于前文提到無HTM的PSC器件效率也已經(jīng)達(dá)到15%的水平，而且其與普通高效率PSC相比，在穩(wěn)定性和使用壽命方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，并且器件結(jié)構(gòu)和制備工藝更簡單，所以無HTM的PSC值得投入更多精力加以研究。

［1］ Joh n J C， Paul D H， Joseph A B. Energy Information Administration， 2012（6）： 106.

［2］ Kojima A， Teshima K， Shirai Y， Miyasaka T. J. Am. Chem.

Soc.， 2009（131）： 6050.

［3］ htt p：//www.nrel.gov/ncpv/.

［4］ T Baikie， Y Fang， J M Kadro， M Schreyer， F Wei， S G Mhaisalkar， M Gr?tzel， T J White. J. Ma ter. Chem. A ，2013（1）： 5628.

［5］ M Gr?tzel. Nature Materials， 2014（13）： 838.

［6］ Xing G， N Mathews， Sun S， S S Lim， Y Lam， M Gr?tzel， S Mhaisalkar， T Sum. Science， 2013（342）： 344.

［7］ S D Stranks， G Eperon， G Grancini， C Menelaou， M Alcocer，T Leijtens， L M Herz， A Petrozza， H J Snaith. Science，2013（342）： 341.

［8］ Zhang W， Cai B. Chin. Sci. Bull.， 2013（59）： 2092.

［9］ Zhang M， Yu H， Lyu M， Q Wang， Yun J， Wang L. Chem. Commun.， 2014.

［10］ Cai B， Xing Y， Yang Z， Zhang W， Qiu J. Energy Environ. Sci.. 2013（6）： 1480.

［11］ J Krüger， R Plass， M Gr?tzel， P J Cameron， L M Peter. J.Phys. Chem. B， 2003（107）： 7536.

［12］ Im J H， Lee C R， Lee J W， Park S W， Park N G. Nanoscale，2011（3）： 4088.

［13］ Kim H S， Lee C R， Im J H， Lee K B， Moehl T， Mar-chioro A，Moon S J， Baker R H， Yum J H， Moser J E， Gr?tzel M， Park N G. Sci. Rep.， 2012（2）： 591.

［14］ Lee M M， Teuscher J， Miyasaka T， Murakami T N， Snaith H J. Science， 2012（2）： 643.

［15］ Etgar L， Gao P， Xue Z， Peng Q， Chandiran A K， Liu B， Nazeeruddin M K， Gr?tzel M. J. Am. Chem. Soc.，2012（134）： 17396.

［16］ Burschka J， Pellet N， Moon S J， Baker R H， Gao P，Nazeeruddin M K， Gr?tzel M. Nature， 2013（499）： 316.

［17］ Liu M， Johnston M B， Snaith H J. Nature， 2013（501）： 395.

［18］ Chen Q， Zhou H， Hong Z， Luo S， Duan H， Wang H， Liu Y，Li G， Yang Y. J. Am. Chem. Soc.， 2014（136）： 622.

［19］ The National Renewable Energy Laboratory （NREL） 2013 http：//www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg.

［20］ Zhou H， Chen Q， Li G， Luo S， Song T， Duan H-S， Hong Z，You J， Liu Y， Yang Y. Science， 2014（345）： 542.

［21］ Malinkiewicz O， Yella A， Lee Y H， Espallargas G M，Graetzel M， Nazeeruddin M K， Bolink1 H J. Nature Photons， 2014（8）： 128.

［22］ Wang K， Jeng J， Shen P， Chang Y， E Diau， C Tsai， Chao T，H Hsu， Lin P， Chen P， Guo T， Wen T. Sci. Rep.， 2014（4）：04756.

［23］ Zhu Z， Bai Y， Zhang T， Liu Z， Long X， Wei Z， Wang Z， Zhang L， Wang J， Yan F， Yang S. Angew. Chem.，2014（126）： 1.

［24］ W A Laban， L Etgar. Energy Environ. Sci.， 2013（6）： 3249.

［25］ Si Aharon， B Cohen， L Etgar. J. Phys. Chem. C， 2014（118）：17160.

［26］ S Aharon， S Gamliel， B Cohen， L Etgar. Phys. Chem. Chem. Phys.， 2014（16）： 10512.

［27］ Shi J， Luo Y， Wei H， Luo J， Dong J， Lv S， Xiao J， Xu Y，Zhu L， Xu X， Wu H， Li D， Meng Q. ACS Appl. Mater. Interfaces， 2014（6）： 9711.

［28］ Ku Z， Rong Y， Xu M， Liu T， Han H. Sci. Rep.， 2013（3）：3132.

［29］ Li Z， S A Kulkarni， P P Boix， Shi E， Cao A， Fu K， S K Batabyal， Zhang J， Xiong Q， L H Wong， N Mathews， S G Mhaisalkar. ACS Nano， 2014（8）： 6797.

［30］ Rong Y， Ku Z， Mei A， Liu T， Xu M， Ko S， Li X， Han H. The Journal of Physical Chemistry Letters， 2014（5）： 2160.

［31］ Mei A， Li X， Liu L， Ku Z， Liu T， Rong Y， Xu M， Hu M，Chen J， Yang Y， Gr?tzel M. Science， 2014（345）： 295.

［32］ Liu Z， Zhang M， Xu X， Bu L， Zhang W， Li W， Zhao Z，Wang M， Cheng Y， He H. Dalton Trans.， 2015（44）： 3967.

［33］ Xu X， Liu Z， Zuo Z， Zhang M， Zhao Z， Shen Y， Zhou H，Chen Q， Yang Y， Wang M. Nano. Letters， 2015（15）： 2402.

Research Progress of Perovskite Solar Cells

YANG Lin1， ZUO Zhi-xiang2， YU Feng-qin1， JI San-hao1， WANG Tian-hua1， WANG Ming-kui2
（1.Central Research Institute of China Chemical Science and Technology， Beijing 100083， China； 2.Photoelectric National
Laboratory（In Process）， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， China）

Recently， some breakthroughs about the effi ciency of total solid perovskite solar battery had been made constantly， due to the outstanding optical and electrical characteristics of perovskite material. The effi ciency of total solid perovskite solar battery now was up to 20%， so more expectations had been laid on the industrialization prospect of perovskite solar cells industry. In paper， some optical and electrical characteristics of perovskite material are mentioned and the development course of perovskite solar cells was also reviewed. Meanwhile， the basic photoelectric conversion process of perovskite solar cells was discussed， based on the nomal structure. And all kinds of grows structure about perovskite solar cells was classifi ed by order， what was more， no-hole transmission layer about perovskite solar cells was discussed specially， then the advantage of industry properties about no-hole transmission layer perovskite solar cells was described， such as stability， service life and cost control. In this condition， the effi ciency of no-hole transmission layer perovskite solar cells made by cheap carbon electrode was about to 15%， more improve space could be expected in future.

perovskite solar battery； photoelectric conversion effi ciency； heterojunction； hole transmission layer； carbon electrode

TM 914.4+3

A

1671-9905（2015）09-0040-06

楊林（1978-），男，博士，高級工程師，河北石家莊人，主要從事有機(jī)合成的研究。E-mail： yanglin@chemchina.com

王鳴魁

2015-07-02