基于知識圖譜的太陽能電池研究前沿探測分析

張米娜，季葉克，張立昆，董 靚

(1.華僑大學(xué)圖書館，福建 廈門 362021)(2.華僑大學(xué)建筑學(xué)院，福建 廈門 362021)

1 前 言

了解、分析學(xué)科領(lǐng)域的研究前沿對該學(xué)科發(fā)展建設(shè)具有重要意義，一方面可為國家的科技發(fā)展戰(zhàn)略制定提供依據(jù)，另一方面可使研究人員及時準(zhǔn)確把握學(xué)科最新動態(tài)，預(yù)測學(xué)科發(fā)展的方向和研究熱點。太陽能電池作為一種清潔可再生能源，對解決能源危機具有重要意義，正受到越來越多的關(guān)注。我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)在近十年間取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，已成為世界第三大光伏材料生產(chǎn)國。但與國外發(fā)達(dá)國家相比，在核心技術(shù)、制造工藝和關(guān)鍵設(shè)備方面存在較大差距。因此，探測和關(guān)注太陽能電池研究前沿，遴選和挖掘動態(tài)發(fā)展，提供一個獨特的視角去洞悉科學(xué)研究的演進(jìn)過程，通過鑒別新興研究領(lǐng)域確立研究方向和從事相應(yīng)研究，可以促進(jìn)我國太陽能電池技術(shù)創(chuàng)新和科研水平的提高[1]。

研究前沿是一個情報學(xué)的概念，最早于1965年由文獻(xiàn)計量學(xué)家Price提出，用來描述研究領(lǐng)域的動態(tài)本質(zhì)[2]。隨著文獻(xiàn)計量學(xué)的發(fā)展，對研究前沿出現(xiàn)不同的定義和認(rèn)識。Garfield認(rèn)為研究前沿是由近期發(fā)表的共被引文獻(xiàn)簇及其引證文獻(xiàn)簇共同組成的文獻(xiàn)群所研究的問題[3]。Persson則認(rèn)為研究前沿就是共被引文獻(xiàn)簇的引證文獻(xiàn)簇，他明確地區(qū)分了研究前沿和知識基礎(chǔ)兩個概念，其中知識基礎(chǔ)是由共被引文獻(xiàn)簇所表示，研究前沿則是由與知識基礎(chǔ)有引證關(guān)系的文獻(xiàn)群所表征[4]。Small認(rèn)為被共同引用的高被引論文簇可以代表研究前沿，后者包括的文獻(xiàn)范圍較前者少了引用高被引論文簇的文獻(xiàn)[5]。結(jié)合以上對研究前沿定義的闡述和認(rèn)識，可以認(rèn)為，研究前沿主要體現(xiàn)在科學(xué)研究的“新”和關(guān)注度的“熱”的文獻(xiàn)，即是科研人員共同關(guān)注和研究的某一領(lǐng)域的主題文獻(xiàn)集合。根據(jù)這一理解，研究前沿應(yīng)同時包含兩部分，一部分是通過共被引找到的核心論文，這些論文代表了該領(lǐng)域的奠基工作；另外一部分是代表知識基礎(chǔ)文獻(xiàn)的施引論文，它們中最新發(fā)表的論文反映了該領(lǐng)域的新進(jìn)展。因此，本文以ESI(Essential Science Indicators，簡稱ESI)數(shù)據(jù)庫高被引論文為數(shù)據(jù)源，以文獻(xiàn)計量學(xué)的共被引分析方法為基礎(chǔ)，通過CiteSpace信息可視化軟件繪制知識圖譜，對知識基礎(chǔ)的核心文獻(xiàn)和對應(yīng)研究前沿的施引文獻(xiàn)進(jìn)行詳盡分析，以此探測太陽能電池領(lǐng)域的研究前沿。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

ESI高被引論文(highly cited papers)是指同一年同一個學(xué)科發(fā)表論文的被引次數(shù)按照由高到低進(jìn)行排序，排在全球前1%的論文。這些論文通常是學(xué)科領(lǐng)域中被高度認(rèn)可的文獻(xiàn)，在一定程度上體現(xiàn)了論文較高的學(xué)術(shù)價值和學(xué)術(shù)影響力，通常反映了一個領(lǐng)域研究進(jìn)步以及對整個學(xué)科領(lǐng)域做出了重要研究貢獻(xiàn)。因此，本文選擇ESI高被引論文為數(shù)據(jù)源，檢索策略是以“solar cell*”為檢索詞，時間跨度為2006～2015，檢索時間2016年8月21日，共檢索到太陽能電池高被引論文2712篇。

2.2 研究方法

(1)文獻(xiàn)共被引方法

共被引分析是文獻(xiàn)計量學(xué)的重要方法之一，它是指兩篇文獻(xiàn)共同出現(xiàn)在第3篇施引文獻(xiàn)的參考目錄中，這兩篇文獻(xiàn)則形成了共被引關(guān)系。通過對一個文獻(xiàn)集進(jìn)行共被引分析挖掘的過程就是共被引分析。本文的研究是基于文獻(xiàn)共被引分析基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)信息挖掘。

(2)TF*IDF和LLR算法

TF*IDF是逆向文本頻率算法，LLR(log-likelihood ration)是對數(shù)似然率算法。本文使用這兩種算法抽取文獻(xiàn)中的標(biāo)題、關(guān)鍵詞和摘要中的特征詞，對聚類進(jìn)行標(biāo)引，以此解讀不同聚類所代表的研究前沿領(lǐng)域。

(3)譜聚類算法

譜聚類算法是基于圖論的聚類方法，首先根據(jù)給定數(shù)據(jù)樣本間的相似關(guān)系建立矩陣，計算該矩陣的特征值和特征向量，然后選擇合適的特征向量聚類數(shù)據(jù)點。本文采用譜聚類算法，對引文的共被引關(guān)系進(jìn)行聚類分析，探測所反映的研究前沿主題。

(4)知識圖譜

知識圖譜方法是顯示科學(xué)知識發(fā)展進(jìn)程與結(jié)構(gòu)關(guān)系的一種圖形分析法。它能以圖解法定量、直觀地展示文獻(xiàn)信息，形象地揭示學(xué)科之間的聯(lián)系，反映科研發(fā)展態(tài)勢。因此，知識圖譜方法已經(jīng)成為科學(xué)計量學(xué)領(lǐng)域的主要方法之一[6]。本文采用知識圖譜軟件CiteSpace，對太陽能電池研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)信息可視化分析，以探測太陽能電池領(lǐng)域研究前沿的變化趨勢及其與基礎(chǔ)知識之間的相互關(guān)系。

3 文獻(xiàn)共被引聚類分析

對2712篇論文進(jìn)行文獻(xiàn)共被引分析，時間切片選擇1年為一個時間段。使用Cosine計算連接強度，每個時間切片中提取前50個文獻(xiàn)，對原始網(wǎng)絡(luò)不做任何剪裁處理。運行CiteSpace 后得到文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上，通過譜聚類算法對共被引網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聚類。最后得到節(jié)點數(shù)量為264、連接線為790、網(wǎng)絡(luò)密度為0.0228的文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)聚類后得到7個研究主題，其模塊化程度值為0.7699，整個網(wǎng)絡(luò)的輪廓值為0.2958，表明整個文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)的聚類結(jié)果良好，能夠清楚劃分得到具體類別。按照聚類規(guī)模大小將聚類從#0到#6編號，根據(jù)標(biāo)簽詞可分為聚合物太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池、染料敏化太陽能電池、量子點太陽能電池和石墨烯等5個研究主題。聚類的具體信息見表1。

圖1 太陽能電池研究共被引網(wǎng)絡(luò)圖譜Fig.1 Document co-citation clusters of solar cell related papers

ClusterIDSizeSilhouetteMean(Year)Topterms(log?likelihoodration)Topterms(TF?IDF)04308232009(14128)solarcell(7802)efficientsolarcell(6312)perovskitesolarcell(1869)benzo(182)poly(1802)solarcell13708552004(4886)morphology(4178)pcbmbulkheterojunction(3902)perovskitesolarcell(1644)bulkheterojunction(16)poly(159)solarcell(1568)morphology23609642013(47148)perovskitesolarcell(7608)perovskite(6018)chloride(3136)perovskitesolarcell(3041)perovskite(2807)lead32709482004(13409)dye?sensitizedsolarcell(3888)application(2687)transparentconductiveoxide(1558)TiO2nanotube(1481)array(1431)dye?sensitizedsolarcell42509852004(11922)dye?sensitizedsolarcell(10188)efficientdye?sensitizedsolarcell(6029)organicdye(1627)dye(1609)donor?acceptor?substitutedporphyrin(1609)efficientmesoscopicdye?sensitizedsolarcell52212007(1842)graphene(10967)graphenesheet(6733)chemicaldoping(2074)graphenesheet(1998)graphenefilm(1858)graphene6160992006(6071)quantum(4502)CdTecore?shell(4502)CdSequantum(15)CdTecore?shellCdSequantum(15)nanocablearray

表1顯示了7個共被引聚類的自動標(biāo)簽、聚類規(guī)模和輪廓值。采用LLR算法選取排名靠前的標(biāo)題詞作為聚類標(biāo)簽。最大的聚類是solar cell (聚類#0)，包含43篇文獻(xiàn)，輪廓值為0.823，表明它的施引文獻(xiàn)是有同質(zhì)性文獻(xiàn)構(gòu)成的集合。第二大聚類是morphology(聚類#1)，包含36篇文獻(xiàn)，備選聚類標(biāo)簽還包括bulk heterojunction。聚類規(guī)模在30篇文獻(xiàn)以上的還有聚類#2，其標(biāo)簽為perovskite solar cell，該聚類包含36篇文獻(xiàn)，輪廓值為0.964，表明聚類#2文獻(xiàn)同質(zhì)性很高。

一般認(rèn)為，研究前沿是科學(xué)研究中最新、最先進(jìn)、最具有發(fā)展?jié)摿Φ难芯恐黝}或研究領(lǐng)域，往往是建立在最近的研究工作之上，因此，時效性是研究前沿的重要標(biāo)志之一。為了識別新興研究前沿，從聚類形成的平均時間判斷聚類的新舊程度。聚類#2形成的平均時間是2013年，聚類文獻(xiàn)的時間跨度為2011-2015年，是7個聚類中最年輕的。此外，從圖1還可以看出，該領(lǐng)域的聚類在整個共被引網(wǎng)絡(luò)中，形成了知識鏈最為顯著和密集的紅色聚類，表明聚類是最近幾年形成。查詢整個太陽能研究共被引網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)，被引頻次最高的10篇核心論文中有8篇來自聚類#2。因此，可以認(rèn)為，聚類#2鈣鈦礦太陽能電池是當(dāng)前太陽能電池領(lǐng)域的研究前沿?；诖耍疚膹膬蓚€方面探測鈣鈦礦研究前沿的內(nèi)容，一是作為知識基礎(chǔ)的核心論文，二是作為研究前沿的聚類施引文獻(xiàn)的主題。

4 基于知識基礎(chǔ)的被引文獻(xiàn)分析

在文獻(xiàn)共被引知識圖譜中，每個圓形的節(jié)點代表一篇文獻(xiàn)，節(jié)點的大小代表該文獻(xiàn)被引用的多少，節(jié)點越大表明文獻(xiàn)被引用頻次越高。帶有深色外圈的節(jié)點是具有較高的中介中心性的節(jié)點，中介中心性大于或等于0.01的節(jié)點被定義為關(guān)鍵節(jié)點文獻(xiàn)。對文獻(xiàn)的節(jié)點信息分析發(fā)現(xiàn)，中心性大于0.01的節(jié)點文獻(xiàn)為4篇，被引頻次大于200的高被引文獻(xiàn)是8篇，可以認(rèn)為這些文獻(xiàn)在鈣鈦礦太陽能電池前沿研究中起到了重要作用，因此將其定義為核心文獻(xiàn)。為了更清晰了解鈣鈦礦太陽能電池研究的知識基礎(chǔ)，對8篇核心文獻(xiàn)進(jìn)行深入分析。

通過對核心論文內(nèi)容解讀，鈣鈦礦太陽能電池的研究主要是圍繞高能量轉(zhuǎn)化效率展開。2009年，日本東京大學(xué)Kojima A等(表2編號4文獻(xiàn))首次使用具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機金屬鹵化物作為敏化劑，制造出了鈣鈦礦太陽能電池，得到3.8%的轉(zhuǎn)化率。其研究意義在于首次使用有機金屬鹵化物光敏化劑，CH3NH3PbI3在可見光下的寬吸收譜段以及CH3NH3PbBr3高達(dá)0.91 V的開路電壓顯示了該研究方向的巨大潛力，因此，該論文在鈣鈦礦太陽能電池研究領(lǐng)域具有開創(chuàng)性價值。2012，Kim H S等(表2編號6文獻(xiàn))通過固態(tài)空穴傳輸材料spiro-OMe TAD，制備出第一塊全固態(tài)鈣鈦礦太陽能電池，得到的光電轉(zhuǎn)化效率超過了傳統(tǒng)的固態(tài)敏化電池。該文獻(xiàn)首次采用空穴傳輸層，不僅具有較高的轉(zhuǎn)換率(9.7%)，更重要的是解決了液態(tài)電解質(zhì)不穩(wěn)定與難封裝的問題。同年，Lee M M等(表2編號2文獻(xiàn))采用有機混合鹵化鉛，用絕緣Al2O3替代TiO2作為鈣鈦礦吸光材料的骨架，制得介觀超結(jié)構(gòu)太陽電池，實現(xiàn)了10.9%的光電轉(zhuǎn)化率。該研究是鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)化率首次突破10%，并且證明鈣鈦礦材料不僅可作為光吸收層，還可以作為電子傳輸層。自此以后，鈣鈦礦太陽能電池開始引起全世界關(guān)注，成為太陽能電池領(lǐng)域的熱點研究。

由表2可知，Burschka J等發(fā)表了共被引聚類文獻(xiàn)中被引頻次最高的論文(表2編號1文獻(xiàn))。該文首次采用兩步順序沉積方法制備鈣鈦礦薄膜，大幅度提高鈣鈦礦材料在多孔膜中的填充度，實現(xiàn)了鈣鈦礦太陽能電池效率突破 15%。隨后，兩步法迅速成為鈣鈦礦太陽能電池中鈣鈦礦制備的主流方法，并得到了廣泛應(yīng)用。2013年Liu M Z等 (表2編號3文獻(xiàn))采用雙源蒸鍍法制得平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦電池，效率轉(zhuǎn)換達(dá)到15.4%。這種全平面結(jié)構(gòu)的太陽能電池舍棄了多孔骨架金屬氧化層，簡化了電池制備工藝，成為鈣鈦礦太陽能電池的重要發(fā)展方向之一。

大的載流子擴散距離對于太陽電池非常重要，它意味著光生電子空穴對(或激子對)在分離貢獻(xiàn)為光生電流之前能夠輸運更遠(yuǎn)的距離，而不是以熱輻射等形式復(fù)合損失掉。Xing G C和Stranks S D于2013年均在Science上發(fā)表文章，證實CH3NH3PbI3和CH3NH3PbIxCl3-x同時具有電子和空穴傳輸能力，并且具有很高的載流子擴散距離。Xing G C等(表2編號7文獻(xiàn))在室溫下用溶液旋涂法制備得到的純CH3NH3PbI3鈣鈦礦中的電子和空穴有效擴散距離均大于100 nm，遠(yuǎn)高于相同條件下在有機半導(dǎo)體材料中的擴散距離 (約10 nm)。Stranks S D等(表2編號5文獻(xiàn))研究表明，CH3NH3PbIxCl3-x鈣鈦礦材料的載流子擴散距離超過1000 nm。如此大的擴散距離不僅意味著高的量子效率，還有助于通過增加鈣鈦礦活性層的厚度來提高其對入射光的吸收率。這兩篇論文的研究成果對鈣鈦礦太陽能電池的光伏性能研究具有奠定性作用。

在文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)中，Eperon G E等發(fā)表的文章(表2編號8文獻(xiàn))被引頻次只有120次，但具有較高的中心性，表明該論文在整個圖譜中具有核心地位。鈣鈦礦材料的制備方法主要有一步法和兩步法，相對于兩步法而言，一步法反應(yīng)速度快, 工藝更簡單。但在一步法中, 由于薄膜沉積過程中溶劑揮發(fā)快, 溶液濃縮迅速，導(dǎo)致鈣鈦礦晶體大小不均勻，造成活性層具有較多的針孔，使得鈣鈦礦不能對基底完全覆蓋。鈣鈦礦晶體的不均一且覆蓋率較低使得空穴傳輸層容易與電子收集層直接接觸，造成電流泄露，因此，傳統(tǒng)一步法制得鈣鈦礦電池效率較低。2014年Eperon G E等發(fā)表在AdvancedFunctionalMaterials的研究成果改進(jìn)了一步法的制備方法。該研究表明，通過嚴(yán)格控制液相一步法鈣鈦礦晶體生成時的溫度、加熱時間、前驅(qū)體的厚度等因素，同樣可以用液相一步法得到致密的鈣鈦礦薄膜，獲得對基底很高的覆蓋率，從而大幅度提高了制備鈣鈦礦太陽能電池的效率。

表2 被引頻次200以上的核心論文

此外，通過對36篇知識基礎(chǔ)文獻(xiàn)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，2014年發(fā)表的15篇文獻(xiàn)中，有8篇成為了ESI熱點論文(在一個學(xué)科最近兩年發(fā)表的論文，按照最近兩個月里被引次數(shù)進(jìn)入前0.1%的論文)，表明這些論文按照被引頻次不僅躋身全球前1%的行列，而且在同領(lǐng)域、同時期的論文中位列前0.1%。由此可見，鈣鈦礦研究在太陽能電池領(lǐng)域占據(jù)重要位置。

5 基于研究前沿的施引文獻(xiàn)分析

共被引網(wǎng)絡(luò)聚類標(biāo)簽perovskite solar cell 是通過LLR和TF*IDF算法，從施引文獻(xiàn)中的標(biāo)題、關(guān)鍵詞和摘要中提取的標(biāo)簽詞。引用聚類#2的施引文獻(xiàn)和上述代表知識基礎(chǔ)的文獻(xiàn)共同組成了鈣鈦礦太陽能電池前沿領(lǐng)域的前沿文獻(xiàn)。對共被引網(wǎng)絡(luò)聚類進(jìn)一步分析，得到了引用活躍度不小于0.03的200篇施引文獻(xiàn)(引用活躍度是指該文獻(xiàn)引用的參考文獻(xiàn)占該聚類共被引文獻(xiàn)總數(shù)的百分比)。施引文獻(xiàn)時間顯示，其發(fā)表時間都集中在2013～2014年，是研究時區(qū)最新的文獻(xiàn)，代表鈣鈦礦太陽能電池研究領(lǐng)域的最新研究內(nèi)容。從200篇施引文獻(xiàn)中選出引用活躍度大于0.2的8篇前沿文獻(xiàn)(見表3)。

表3 鈣鈦礦太陽能電池研究領(lǐng)域的前8篇施引文獻(xiàn)

從上述研究已經(jīng)得出，太陽能電池領(lǐng)域研究前沿是高能量轉(zhuǎn)化效率鈣鈦礦太陽能電池。對200篇施引文獻(xiàn)的主題分析發(fā)現(xiàn)，其研究內(nèi)容主要是通過鈣鈦礦吸光材料、空穴傳輸材料和鈣鈦礦制備工藝等3方面改進(jìn)和調(diào)控，制備高轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池。值得說明的是，本部分參考文獻(xiàn)均來自于聚類#2施引文獻(xiàn)。

5.1 鈣鈦礦吸光材料

限制光電轉(zhuǎn)換率提高的重要原因是鈣鈦礦材料本身禁帶寬度不夠?qū)挘瑢?dǎo)致入射光的大部分能量被反射或者透射。因此，改善電池的能帶結(jié)構(gòu)是提高轉(zhuǎn)換率的重要舉措。鈣鈦礦太陽能電池的吸光材料是一種有機-無機雜化鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料，其化學(xué)式為ABX3。A位通常為CH3NH+、CH(NH2)+等有機陽離子；B位為金屬離子Pb2+、Sn2+; X為鹵素基團(tuán)I-、Br-、Cl-。施引文獻(xiàn)中不少關(guān)于通過改變鈣鈦礦材料中3種離子基團(tuán)來實現(xiàn)帶隙調(diào)控的研究論文。

Even J等(表3編號4文獻(xiàn))從分析A、B、X 三種基團(tuán)的能帶入手，認(rèn)為ABX3能帶上的價帶主要由I和Pb產(chǎn)生，A主要作用為電荷補償中心，對帶邊幾乎無貢獻(xiàn)。Giorgi G等(表3編號5文獻(xiàn))研究了A位有機陽離子對帶隙的影響，通過改變其大小可以在小范圍內(nèi)調(diào)控鈣鈦礦的能帶結(jié)構(gòu)。Brivio F等[7]對A位有機陽離子極性和非極性研究，發(fā)現(xiàn)不同極性對禁帶寬度有不同影響。Frost J M等[8]的研究表明，A位占據(jù)不同分子會導(dǎo)致鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)具有不同對稱性，從而影響禁帶寬度。

B位金屬離子通常是Pb，但由于Pb具有一定毒性，因此，處在元素周期表同一族的Sn被認(rèn)為是替代Pb最具潛力的金屬元素。Hao F等(表3編號6文獻(xiàn))采用Sn代替Pb制備了CH3NH3SnI3，其能隙在1.3～2.15 eV之間，表現(xiàn)出了最寬的吸收光譜，短路電流達(dá)到了20 mA·cm-2。Hao F等[9]還制備了無鉛鈣鈦礦太陽能電池，光電轉(zhuǎn)換率達(dá)到5.73%。

Br和Cl同為鹵族元素，利用Br和Cl對I進(jìn)行替代或者一定比例混合, 可改變鈣鈦礦材料的禁帶寬度。Noh J H等[10]研究表明MAPbBr3比MAPbI3禁帶寬度寬0.7 eV。Stranks S D 等(表3編號7文獻(xiàn))通過加入Cl元素，光生載流子在CH3NH3PbIxCl3-x擴散距離超過1000 nm。

5.2 空穴傳輸材料

空穴傳輸材料起到傳輸空穴的作用，對空穴傳輸材料的要求是其能級與鈣鈦礦材料的最高已占軌道匹配，并且具備良好的空穴傳輸能力。目前最常見的空穴傳輸材料是spiro-OMe TAD，但其價格昂貴，且載流子傳導(dǎo)率低，研究人員致力于研制新型的替代材料。Heo J H等[11]使用聚三芳胺為空穴傳輸層，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換率12%。Christians J A等[12]以CuI為空穴傳輸材料，結(jié)果表明CuI的導(dǎo)電性比spiro-OMe TAD好，可以有效改善器件的填充因子，獲得6%的光電轉(zhuǎn)換效率。Qin P等[13]研究表明CuSCN空穴傳輸速率為0.01～0.1 cm2·V/s，遠(yuǎn)高于spiro-OMe TAD中空穴傳輸速率, 并實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換效率12.4%。

除了以上無機和有機空穴材料，研究人員也開展了不使用空穴材料的研究。Ku Z等[14]采用價格低廉的碳電極替代Au電極，并使用ZrO2作絕緣層，防止電池短路，利用鈣鈦礦對空穴優(yōu)異的傳輸能力，將空穴傳輸?shù)疥帢O，最終獲得了6.64%的光電轉(zhuǎn)換效率。Mei A Y等[15]制備出TiO2和ZrO2介觀雙分子層，使鈣鈦礦材料分散其中，實現(xiàn)了良好的界面接觸，電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)12.8%，是目前為止報道的無空穴傳輸層電池中的最高值。

5.3 鈣鈦礦材料制備工藝

鈣鈦礦材料的制備方法主要是溶液法和氣相法。溶液法分為一步法和兩步法。一步法是指直接將PbX2和CH3NH3X混合形成前驅(qū)體溶液并涂覆在TiO2上，干燥后生成CH3NH3PbX3，這種方法簡單易行但可控性差。兩步法是指先涂覆CH3NH3I溶液，隨后涂覆PbI2溶液，通過控制CH3NH3I溶液的濃度來控制CH3NH3PbI3晶粒尺寸，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率最優(yōu)化。

溶液法制備鈣鈦礦過程中，結(jié)晶過程中的形貌控制非常重要。Zhao Y X等(表3編號2文獻(xiàn))通過在一步法前驅(qū)體溶液中添加MACl控制鈣鈦礦結(jié)晶過程，使得鈣鈦礦晶體晶粒更小更致密，從而達(dá)到更高的轉(zhuǎn)換率。Bi C等(表3編號3文獻(xiàn))通過加熱處理和控制退火條件，得到了平整、致密的鈣鈦礦層。施引文獻(xiàn)中就形貌控制對一步法和兩步法進(jìn)行多種改進(jìn)，比如采用一步法制備鏡面效果的鈣鈦礦[16]、采用MAI 蒸汽代替MAI溶液[17]、增加旋涂次數(shù)等[18]。

除了溶液旋涂法，一些研究人員將氣相沉積工藝用于鈣鈦礦的合成。Malinkiewicz O等[19]采用氣相共沉積的方法，得到了高質(zhì)量、均一致密的鈣鈦礦膜。Chen C W等[20]采用層疊連續(xù)升華沉積法制備鈣鈦礦層，實現(xiàn)了15.4%的高轉(zhuǎn)換效率。Barrows A T等[21]嘗試用超聲噴涂的方法，在大氣環(huán)境中制備平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)太陽能電池，可以實現(xiàn)太陽能電池的大面積低成本制備，但轉(zhuǎn)換效率仍然有待提高。

6 結(jié) 論

以太陽能電池領(lǐng)域ESI高被引論文為基礎(chǔ)，采用科學(xué)知識圖譜的方式探測太陽能電池領(lǐng)域的研究前沿，得到以下結(jié)論：

(1)通過對2712篇太陽能電池高被引論文共被引聚類分析得出，當(dāng)前太陽能電池領(lǐng)域主要包括聚合物太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池、染料敏化太陽能電池、量子點太陽能電池和石墨烯等5個研究主題，其中鈣鈦礦太陽能電池是當(dāng)前研究前沿主題。

(2)通過對鈣鈦礦太陽能電池聚類節(jié)點信息分析，以中心性和被引頻次為測度方式，得到8篇核心論文。對核心論文內(nèi)容的進(jìn)一步分析，可以認(rèn)為太陽能電池的研究前沿為高能量轉(zhuǎn)化效率鈣鈦礦太陽能電池。

(3)通過對反映研究前沿的施引文獻(xiàn)分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前主要通過吸光材料、空穴傳輸材料和鈣鈦礦材料制備工藝等3方面的改進(jìn)和調(diào)控，進(jìn)一步提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

References

[1] Chen Shijie(陳仕杰)．NewTechnologyofLibraryandInformationService(現(xiàn)代圖書情報技術(shù))[J]，2009，183(9):28-33.

[2] Derek J，Price D S.Science[J]，1965，149(3683)：510-515.

[3] Garfield E.Scientography[J]，1994，7 (45)：5-10.

[4] Person O.JournaloftheAmericanSocietyforInformationScience[J], 1994, 45 (1) : 31-38.

[5] Upham S P, Small H.Scientometrics[J]，2010 (83) : 15-38.

[6] Chen Chaomei(陳超美)，Chen Yue(陳 悅)，Hou Jianhua(侯劍華)，etal.JChinSocSciTechInf(情報學(xué)報)[J], 2009, 28(3): 401-421.

[7] Brivio F, Walker A B, Walsh A.APLMaterials[J], 2013, 1(4): 11.

[8] Frost J M, Butler K T, Brivio F,etal.NanoLetters[J]，2014，14(5)：2584-2590.

[9] Hao F, Stoumpos C C, Cao D H,etal.NaturePhotonics[J]，2014，8(8)：489-494.

[10] Noh J H, Im S H, Heo J H,etal.NanoLetters[J]，2013，13(4)：1764-1769.

[11] Heo J H, Im S H, Noh J H,etal.NaturePhotonics[J]，2013，7(6)：486-491.

[12] Christians J A, Fung R C, Kamat P V.JournaloftheAmericanChemicalSociety[J]，2013，136 (2)：758-764.

[13] Qin P, Tanak S, Ito S,etal.NatureCommunications[J]，2014，5(1)：3834-3839.

[14] Ku Z, Rong Y, Xu M,etal.ScienceReports[J]，2013，3(11)：3132.

[15] Mei A Y, Li X, Liu L F,etal.Science[J]，2014，345(2)：295-298.

[16] Xiao M, Huang F, Huang W,etal.AngewandteChemie-InternationalEdition[J]，2014，53(37)：9898-9890.

[17] Chen Q, Zhou H, Hong Z,etal.JournalofTheAmericanChemicalSociety[J]，2014，136(2)：622-625.

[18] Shi J, Luo Y, Wei H,etal.AppliedPhysicsLetters[J]，2014，104 (6)：063901-063904.

[19] Malinkiewicz O, Roldan C C, Soriano A,etal.AdvanceEnergyMaterials[J]，2014，4 (15)：1614-1618.

[20] Chen C W, Kang H W, Hsiao S Y,etal.AdvancedMaterials[J]，2014，26(38)：6647-6652.

[21] Barrows A T, Pearson A J, Kwak C K,etal.Energy&EnvironmentalScience[J]，2014，7(9)：2944-2950.