高效率钙钛矿太阳能电池研究文献综述

文献综述（或调研报告）：

目前，针对提高钙钛矿太阳能电池效率，主要从以下三个方面入手：一、化学组分调控；二、加工工艺优化；三、器件结构优化。

一、化学组分调控

金属卤化物钙钛矿材料是直接带隙半导体材料，禁带宽度合适，光吸收性能优异，其一个突出优点是可以通过改变其化学组分来调节材料的光电性能^[1]。如图1所示为钙钛矿（ABX₃，其中A = CH₃NH₂、CH(NH)₂，B = Pb，X = Cl、Br、I）晶体的结构示意图。该结构中B离子与X离子形成正八面体对称结构，B离子位于八面体中心，X离子位于八面体的顶角，A离子填充于八面体三维网络形成的空隙中，从而形成三维周期性结构。研究初期，采用MAPbI₃为钙钛矿材料所制备的太阳能电池所受关注最为广泛^[2-3]。Jeon等人在钙钛矿中引入了FA离子，充分利用其禁带宽度更小、吸收光谱范围更宽的特点，同时混合部分的MAPbBr₃成分，有效克服了FAPbI₃稳定性差，容易转变为黄色多晶相的缺点，使电池效率进一步提升到18%以上^[4]。FA_0.81MA_0.15PbI_2.51Br_0.45的钙钛矿组分也成为后续研究中最常采用的钙钛矿成分^[5,6]。

图1 钙钛矿晶体结构示意图

进一步的，引入无机阳离子Cs 离子的方法在提升了电池效率的同时，也有效提升了器件的热稳定性和制备的可重复性^[7]。此外，为了解决MAPbI₃的热稳定性和环境污染（含毒性的Pb元素）问题，无机非铅钙钛矿材料也逐渐受到研究者们的关注^[1]。

二、加工工艺优化

MAPbI₃钙钛矿层最基本的制备方法可以分为一步法和两步法。如下图2所示，一步法就是将PbI₂和MAI以一定的摩尔比例混合，溶于GBL、DMF等有机溶剂中，搅拌溶解后以旋涂或者滴涂的方式将溶液沉积到电子传输层上，随后对薄膜进行热处理即可形成钙钛矿薄膜材料。在此基础上，研究人员在DMF溶液中引入DMSO构成一种Lewis酸碱加合物MAI·PbI₂·DMSO，同时在一步旋涂过程中滴加乙醚进行清洗，制备出无针孔的钙钛矿薄膜,并成功将电池效率提升到18%以上^[15]。而在适用于制备大面积器件的真空闪蒸溶液处理法（VASP）中^[6]，旋涂含有DMSO的FA_0.81MA_0.15PbI_2.51Br_0.45钙钛矿前体溶液后抽真空，以快速有效的去除残留的溶剂，促进钙钛矿中间相的结晶。最后经过热处理可以制得光滑、结晶度高的钙钛矿层。

2013年，M. Gratzel小组首次将两步法引入到钙钛矿太阳能电池的制备中^[3]，随后越来越多的研究人员开始采用该方法来制备钙钛矿太阳能电池。两步法是指先将PbI₂粉末溶于DMF溶液中，加热搅拌至澄清后旋涂到介孔TiO₂层上制备PbI₂薄膜；晾干后，将PbI₂薄膜浸入含有MAI的异丙醇溶液中进行化学反应，随后热处理即可制得钙钛矿薄膜。

图2 钙钛矿薄膜溶液处理的一步、两步法示意图