铅卤钙钛矿敏化型太阳能电池的研究进展

doi:10.6023/A14090656

摘要/Abstract

铅卤钙钛矿太阳能电池由于其低廉的成本, 简易的制备工艺和具有商业化潜力的效率等优点, 在最近两年里成为太阳能领域广受关注的新星. 铅卤钙钛矿太阳能电池的结构, 材料合成和制作工业在短时期内发生多项革命性的变化. 铅卤钙钛矿敏化型太阳能电池从最初使用液体电解液的敏化电池, 演变为固态敏化电池. 铅卤钙钛矿也从最初沉积在介孔膜的空隙的传统敏化结构, 演变为介孔空隙填充和致密覆盖层结合的混合型敏化结构. 通过这些结构的演化和材料制备的进步, 敏化型铅卤钙钛矿太阳能电池具备了较高的稳定性和高效率的两大优点. 对铅卤钙钛矿敏化型太阳能电池的研究进展进行简要综述.

关键词: 铅卤钙钛矿, 太阳能电池, 敏化, 多孔型

Low cost organic and inorganic hybrid perovskites such as CH₃NH₃PbI₃ has demonstrated a rapid increase in efficiency and has attracted tremendous research effort within a few years. The perovskite solar cells has evolved from traditional sensitized solar cell using liquid iodine electrolyte to solid state solar cell with either mesoporous or planar structure. The morphology controllable solution chemistry deposition of perovskite has progress into 15%～17% efficiency perovoskite solar cells reported by several groups. The perovskite sensitized solar cells has also progress from pure mesoporous structure into meso-planar hybrid one, which has the advantages of high efficiency and better stability. Here we review recent progress on the development of perovskite sensitized solar cells, different band gap perovskites and their deposition, different backbone nanostructures and their charge transfer properties.

Key words: lead halide perovskite, solar cell, sensitized, mesoporous

引用此文

张太阳, 赵一新. 铅卤钙钛矿敏化型太阳能电池的研究进展[J]. 化学学报, 2015, 73(3): 202-210.

Zhang Taiyang, Zhao Yixin. Recent Progress of Lead Halide Perovskite Sensitized Solar Cells[J]. Acta Chim. Sinica, 2015, 73(3): 202-210.

导出引用 EndNote|Reference Manager|ProCite|BibTeX|RefWorks

分享此文

参考文献

[1] Lewis, N. S.; Nocera, D. G. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2006, 103, 15729.
[2] Crabtree, G. W.; Lewis, N. S. Phys. Today 2007, 60, 37.
[3] Lewis, N. S. Science 2007, 315, 798.
[4] Green, M. A. Prog. Photovoltaics Res. Appl. 2001, 9, 123.
[5] Hardin, B. E.; Snaith, H. J.; McGehee, M. D. Nat. Photon. 2012, 6, 162.
[6] He, J. J.; Chen, S. X.; Wang, T. T.; Zeng, H. P. Chin. J. Org. Chem. 2012, 32, 472. (何俊杰, 陈舒欣, 王婷婷, 曾和平, 有机化学, 2012, 32, 472.)
[7] He, P.; Li, Z. F.; Hou, Q. F.; Wang, Y. L. Chin. J. Org. Chem. 2013, 33, 288. (和平, 李在房, 侯秋飞, 王艳玲, 有机化学, 2013, 33, 288.)
[8] Huang, X. W.; Deng, J. Y.; Xu, L.; Shen, P.; Zhao, B.; Tan, S. T. Acta Chim. Sinica 2012, 70, 1604. (黄先威, 邓继勇, 许律, 沈平, 赵斌, 谭松庭, 化学学报, 2012, 70, 1604.)
[9] Miao, Q. Q.; Gao, J. X.; Wang, Z. Q.; Gao, Y. R.; Ma, Y. L. Acta Chim. Sinica 2011, 69, 2207. (苗青青, 高俊雄, 王泽清, 高玉荣, 马廷丽, 化学学报, 2011, 69, 2207.)
[10] O'Regan, B.; Grätzel, M. Nature 1991, 353, 737.
[11] Kamat, P. V. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 908.
[12] Han, L.; Zhou, X.; Ye, Q.; Li, Y. J.; Gao, J. R. Chin. J. Org. Chem. 2013, 33, 1000. (韩亮, 周雪, 叶青, 李郁锦, 高建荣, 有机化学, 2013, 33, 1000.)
[13] Mao, L. J.; Tan, Q. L.; Xin, G. Q.; Han, M. L.; Zhang, X. J. Chin. J. Org. Chem. 2012, 32, 2315. (毛利军, 谭青龙, 辛冠琼, 韩明亮, 张学俊, 有机化学, 2012, 32, 2315.)
[14] Wang, J. W.; Li, Y.; Xu, Y. L.; Li, Y.; Shen, K. H. Acta Chim. Sinica 2012, 70, 1278. (王纪伟, 李莹, 徐艳玲, 李杨, 申凯华, 化学学报, 2012, 70, 1278.)
[15] Zhang, M. J.; Pan, Q. J.; Guo, Y. R.; Zhang, H. X. Acta Chim. Sinica 2014, 72, 697. (张明晶, 潘清江, 郭元茹, 张红星, 化学学报, 2014, 72, 697.)
[16] Zhu, C.; Cao, Z. X. Acta Chim. Sinica 2013, 71, 1527. (朱纯, 曹泽星, 化学学报, 2013, 71, 1527.)
[17] Green, M. A.; Ho-Baillie, A.; Snaith, H. J. Nat. Photon. 2014, 8, 506.
[18] Service, R. F. Science 2014, 344, 458.
[19] Mitzi, D. B.; Feild, C. A.; Harrison, W. T. A.; Guloy, A. M. Nature 1994, 369, 467.
[20] Mitzi, D. B.; Wang, S.; Feild, C. A.; Chess, C. A.; Guloy, A. M. Science 1995, 267, 1473.
[21] Liang, K.; Mitzi, D. B.; Prikas, M. T. Chem. Mater. 1998, 10, 403.
[22] Kagan, C. R.; Mitzi, D. B.; Dimitrakopoulos, C. D. Science 1999, 286, 945.
[23] Kojima, A.; Teshima, K.; Shirai, Y.; Miyasaka, T. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 6050.
[24] Im, J.-H.; Lee, C.-R.; Lee, J.-W.; Park, S.-W.; Park, N.-G. Nanoscale 2011, 3, 4088.
[25] Im, J.-H.; Chung, J.; Kim, S.-J.; Park, N.-G. Nanoscale Res. Lett. 2012, 7, 1.
[26] Kakiage, K.; Kyomen, T.; Hanaya, M. Chem. Lett. 2013, 42, 1520.
[27] Zhao, Y.; Zhu, K. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 2880.
[28] Li, W.; Li, J.; Wang, L.; Niu, G.; Gao, R.; Qiu, Y. J. Mater. Chem. A 2013, 1, 11735.
[29] Wang, H.; Zeng, X.; Huang, Z.; Zhang, W.; Qiao, X.; Hu, B.; Zou, X.; Wang, M.; Cheng, Y. B.; Chen, W. ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 12609.
[30] Kim, H.-S.; Lee, C.-R.; Im, J.-H.; Lee, K.-B.; Moehl, T.; Marchioro, A.; Moon, S.-J.; Humphry-Baker, R.; Yum, J.-H.; Moser, J. E.; Gratzel, M.; Park, N.-G. Sci. Rep. 2012, 2, 1.
[31] Lee, M. M.; Teuscher, J.; Miyasaka, T.; Murakami, T. N.; Snaith, H. J. Science 2012, 338, 643.
[32] Ball, J. M.; Lee, M. M.; Hey, A.; Snaith, H. J. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 1739.
[33] Liu, M.; Johnston, M. B.; Snaith, H. J. Nature 2013, 501, 395.
[34] Etgar, L.; Gao, P.; Xue, Z.; Peng, Q.; Chandiran, A. K.; Liu, B.; Nazeeruddin, M. K.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 17396.
[35] Abu Laban, W.; Etgar, L. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 3249.
[36] 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.
[37] Xu, Y.; Shi, J.; Lv, S.; Zhu, L.; Dong, J.; Wu, H.; Xiao, Y.; Luo, Y.; Wang, S.; Li, D.; Li, X.; Meng, Q. ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 5651.
[38] Shi, J.; Dong, J.; Lv, S.; Xu, Y.; Zhu, L.; Xiao, J.; Xu, X.; Wu, H.; Li, D.; Luo, Y.; Meng, Q. Appl. Phys. Lett. 2014, 104, 063901.
[39] Xu, M.; Rong, Y.; Ku, Z.; Mei, A.; Liu, T.; Zhang, L.; Li, X.; Han, H. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 8607.
[40] Rong, Y.; Ku, Z.; Mei, A.; Liu, T.; Xu, M.; Ko, S.; Li, X.; Han, H. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 2160.
[41] Ku, Z.; Rong, Y.; Xu, M.; Liu, T.; Han, H. Sci. Rep. 2013, 3, 3132.
[42] Mei, A.; Li, X.; Liu, L.; Ku, Z.; Liu, T.; Rong, Y.; Xu, M.; Hu, M.; Chen, J.; Yang, Y.; Grätzel, M.; Han, H. Science 2014, 345, 295.
[43] Leijtens, T.; Lauber, B.; Eperon, G. E.; Stranks, S. D.; Snaith, H. J. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 1096.
[44] Kim, H.-S.; Im, S. H.; Park, N.-G. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 5615.
[45] Noh, J. H.; Im, S. H.; Heo, J. H.; Mandal, T. N.; Seok, S. I. Nano Lett. 2013, 13, 1764.
[46] Qiu, J.; Qiu, Y.; Yan, K.; Zhong, M.; Mu, C.; Yan, H.; Yang, S. Nanoscale 2013, 5, 3245.
[47] Heo, J. H.; Im, S. H.; Noh, J. H.; Mandal, T. N.; Lim, C.-S.; Chang, J. A.; Lee, Y. H.; Kim, H.-J.; Sarkar, A.; NazeeruddinMd, K.; Gratzel, M.; Seok, S. I. Nat. Photon. 2013, 7, 486.
[48] Eperon, G. E.; Burlakov, V. M.; Docampo, P.; Goriely, A.; Snaith, H. J. Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 151.
[49] Wehrenfennig, C.; Eperon, G. E.; Johnston, M. B.; Snaith, H. J.; Herz, L. M. Adv. Mater. 2014, 26, 1584.
[50] Zhao, Y.; Zhu, K. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 9412.
[51] Liang, P.-W.; Liao, C.-Y.; Chueh, C.-C.; Zuo, F.; Williams, S. T.; Xin, X.-K.; Lin, J.; Jen, A. K. Y. Adv. Mater. 2014, 26, 3748.
[52] Colella, S.; Mosconi, E.; Fedeli, P.; Listorti, A.; Gazza, F.; Orlandi, F.; Ferro, P.; Besagni, T.; Rizzo, A.; Calestani, G.; Gigli, G.; De Angelis, F.; Mosca, R. Chem. Mater. 2013, 25, 4613.
[53] Dualeh, A.; Tétreault, N.; Moehl, T.; Gao, P.; Nazeeruddin, M. K.; Grätzel, M. Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 3250.
[54] Zhao, Y.; Zhu, K. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 12241.
[55] Eperon, G. E.; Stranks, S. D.; Menelaou, C.; Johnston, M. B.; Herz, L. M.; Snaith, H. J. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 982.
[56] Zhou, H.; Chen, Q.; Li, G.; Luo, S.; Song, T. B.; Duan, H. S.; Hong, Z.; You, J.; Liu, Y.; Yang, Y. Science 2014, 345, 542.
[57] Jeon, N. J.; Noh, J. H.; Kim, Y. C.; Yang, W. S.; Ryu, S.; Seok, S. I. Nat. Mater. 2014, 13, 897.
[58] (a) Xiao, M.; Huang, F.; Huang, W.; Dkhissi, Y.; Zhu, Y.; Etheridge, J.; Gray-Weale, A.; Bach, U.; Cheng, Y.-B.; Spiccia, L. Angew. Chem., Int. Ed. 2014, 53, 9898;
(b) Seo, J. W.; Park, S.; Kim, Y. C.; Jeon, N. J.; Noh, J. H.; Yoon, S. C.; Seok, S. I. Energy Environ. Sci. 2014. 7, 2642.
[59] Burschka, J.; Pellet, N.; Moon, S. J.; Humphry-Baker, R.; Gao, P.; Nazeeruddin, M. K.; Gratzel, M. Nature 2013, 499, 316.
[60] Dharani, S.; Mulmudi, H. K.; Yantara, N.; Thu Trang, P. T.; Park, N. G.; Graetzel, M.; Mhaisalkar, S.; Mathews, N.; Boix, P. P. Nanoscale 2013, 6, 1675.
[61] Bi, D.; Moon, S.-J.; Haggman, L.; Boschloo, G.; Yang, L.; Johansson, E. M. J.; Nazeeruddin, M. K.; Gratzel, M.; Hagfeldt, A. RSC Adv. 2013, 3, 18762.
[62] Sun, S.; Salim, T.; Mathews, N.; Duchamp, M.; Boothroyd, C.; Xing, G.; Sum, T. C.; Lam, Y. M. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 399.
[63] Yella, A.; Heiniger, L.-P.; Gao, P.; Nazeeruddin, M. K.; Grätzel, M. Nano Lett. 2014, 14, 2591.
[64] Zheng, L.; Ma, Y.; Chu, S.; Wang, S.; Qu, B.; Xiao, L.; Chen, Z.; Gong, Q.; Wu, Z.; Hou, X. Nanoscale 2014, 6, 8171.
[65] Chen, Q.; Zhou, H.; Hong, Z.; Luo, S.; Duan, H.-S.; Wang, H.-H.; Liu, Y.; Li, G.; Yang, Y. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 622.
[66] Wu, Y.; Islam, A.; Yang, X.; Qin, C.; Liu, J.; Zhang, K.; Peng, W.; Han, L. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 2934.
[67] Aharon, S.; Cohen, B. E.; Etgar, L. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 17160.
[68] Docampo, P.; Hanusch, F.; Stranks, S. D.; Döblinger, M.; Feckl, J. M.; Ehrensperger, M.; Minar, N. K.; Johnston, M. B.; Snaith, H. J.; Bein, T. Adv. Energy Mater. 2014, 4, 1400355.
[69] Malinkiewicz, O.; Roldán-Carmona, C.; Soriano, A.; Bandiello, E.; Camacho, L.; Nazeeruddin, M. K.; Bolink, H. J. Adv. Energy Mater. 2014, 4, 1614.
[70] Pang, S. P.; Hu, H.; Zhang, J. L.; Lv, S. L.; Yu, Y. M.; Wei, F.; Qin, T. S.; Xu, H. X.; Liu, Z. H.; Cui, G. L. Chem. Mater. 2014, 26, 1485.
[71] Lee, J.-W.; Seol, D.-J.; Cho, A.-N.; Park, N.-G. Adv. Mater. 2014, 26, 4991.
[72] Pellet, N.; Gao, P.; Gregori, G.; Yang, T.-Y.; Nazeeruddin, M. K.; Maier, J.; Grätzel, M. Angew. Chem., Int. Ed. 2014, 53, 3151.
[73] Li, Z.; Kulkarni, S. A.; Boix, P. P.; Shi, E.; Cao, A.; Fu, K.; Batabyal, S. K.; Zhang, J.; Xiong, Q.; Wong, L. H.; Mathews, N.; Mhaisalkar, S. G. ACS Nano 2014, 8, 6797.
[74] Hao, F.; Stoumpos, C. C.; Cao, D. H.; Chang, R. P. H.; Kanatzidis, M. G. Nat. Photon. 2014, 8, 489.
[75] Hao, F.; Stoumpos, C. C.; Chang, R. P. H.; Kanatzidis, M. G. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 8094.
[76] Noel, N. K.; Stranks, S. D.; Abate, A.; Wehrenfennig, C.; Guarnera, S.; Haghighirad, A.; Sadhanala, A.; Eperon, G. E.; Pathak, S. K.; Johnston, M. B.; Petrozza, A.; Herz, L.; Snaith, H. Energy Environ. Sci. 2014. 7, 3061.
[77] Cai, B.; Xing, Y.; Yang, Z.; Zhang, W.-H.; Qiu, J. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 1480.
[78] Edri, E.; Kirmayer, S.; Cahen, D.; Hodes, G. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 897.
[79] Christians, J. A.; Fung, R. C. M.; Kamat, P. V. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 758.
[80] Ito, S.; Tanaka, S.; Vahlman, H.; Nishino, H.; Manabe, K.; Lund, P. ChemPhysChem 2014, 15, 1194.
[81] Zhao, Y.; Nardes, A. M.; Zhu, K. Appl. Phys. Lett. 2014, 104, 213906.
[82] Hagfeldt, A.; Boschloo, G.; Sun, L.; Kloo, L.; Pettersson, H. Chem. Rev. 2010, 110, 6595.
[83] Tang, X.; Wang, Y. X. Acta Chim. Sinica 2012, 71, 193. (唐笑, 汪禹汛, 化学学报, 2012, 71, 193.)
[84] Kou, D. X.; Liu, W. Q.; Hu, L. H.; Chen, S. H.; Huang, Y.; Dai, S. Y. Acta Chim. Sinica 2013, 71, 777. (寇东星, 刘伟庆, 胡林华, 陈双宏, 黄阳, 戴松元, 化学学报, 2013, 71, 777.)
[85] Le Bahers, T.; Pauporté, T.; Lainé, P. P.; Labat, F.; Adamo, C.; Ciofini, I. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 1044.
[86] Xiong, B. T.; Zhu, Z. Y.; Wang, C. R.; Chen, B. X.; Luo, J. Y. Acta Chim. Sinica 2013, 71, 443. (熊必涛, 朱志艳, 王长荣, 陈宝信, 骆钧炎, 化学学报, 2013, 71, 443.)
[87] Kou, D. X.; Liu, W. Q.; Hu, L. H.; Chen, S. H.; Huang, Y.; Dai, S. Y. Acta Chim. Sinica 2013, 71, 1149. (寇东星, 刘伟庆, 胡林华, 陈双宏, 黄阳, 戴松元, 化学学报, 2013, 71, 1149.)
[88] Yuan, Q.; Chen, X. J.; Wang, J. T.; Zhai, J. Acta Chim. Sinica 2014, 72, 624. (苑琪, 陈雪景, 王京涛, 翟锦, 化学学报, 2014, 72, 624.)
[89] Kim, H.-S.; Lee, J.-W.; Yantara, N.; Boix, P. P.; Kulkarni, S. A.; Mhaisalkar, S.; Grätzel, M.; Park, N.-G. Nano Lett. 2013, 13, 2412.
[90] Bi, D.; Boschloo, G.; Schwarzmuller, S.; Yang, L.; Johansson, E. M.; Hagfeldt, A. Nanoscale 2013, 5, 11686.
[91] Son, D.-Y.; Im, J.-H.; Kim, H. S.; Park, N.-G. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 16567.
[92] Zhao, Y.; Nardes, A. M.; Zhu, K. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 490.
[93] Stranks, S. D.; Eperon, G. E.; Grancini, G.; Menelaou, C.; Alcocer, M. J. P.; Leijtens, T.; Herz, L. M.; Petrozza, A.; Snaith, H. J. Science 2013, 342, 341.
[94] Xing, G.; Mathews, N.; Sun, S.; Lim, S. S.; Lam, Y. M.; Gratzel, M.; Mhaisalkar, S.; Sum, T. C. Science 2013, 342, 344.
[95] Qiu, L.; Deng, J.; Lu, X.; Yang, Z.; Peng, H. Angew. Chem., Int. Ed. 2014, 53, 10425.
[96] Ogomi, Y.; Morita, A.; Tsukamoto, S.; Saitho, T.; Shen, Q.; Toyoda, T.; Yoshino, K.; Pandey, S. S.; Ma, T.; Hayase, S. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 16651.
[97] Snaith, H. J.; Abate, A.; Ball, J. M.; Eperon, G. E.; Leijtens, T.; Noel, N. K.; Stranks, S. D.; Wang, J. T.-W.; Wojciechowski, K.; Zhang, W. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 1511.
[98] Kim, H.-S.; Park, N.-G. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 2927.
[99] Unger, E. L.; Hoke, E. T.; Bailie, C. D.; Nguyen, W. H.; Bowring, A. R.; Heumuller, T.; Christoforo, M. G.; McGehee, M. D. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 3690.
[100] Filippetti, A.; Delugas, P.; Mattoni, A. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 118, 24843.
[101] Luo, J.; Im, J.-H.; Mayer, M. T.; Schreier, M.; Nazeeruddin, M. K.; Park, N.-G.; Tilley, S. D.; Fan, H. J.; Grätzel, M. Science 2014, 345, 1593.
[102] Jeon, N. J.; Lee, H. G.; Kim, Y. C.; Seo, J.; Noh, J. H.; Lee, J.; Seok, S. I. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 7837.
[103] Ryu, S.; Noh, J. H.; Jeon, N. J.; Chan Kim, Y.; Yang, W. S.; Seo, J.; Seok, S. I. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 2614.