全固态介观太阳能电池:从染料敏化到钙钛矿

doi:10.6023/A14100702

摘要/Abstract

介观太阳能电池(Mesoscopic Solar Cells)作为新一代太阳能电池的突出代表, 具有原材料来源丰富, 制备工艺简单, 光电转换效率高等优点, 从而具有广阔的应用前景. 本工作简要评述了全固态介观太阳能电池从染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells)发展到钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells)过程中新材料、新技术和新概念的研究进展. 1998年, Grätzel课题组首次将固态有机空穴传输材料spiro-OMeTAD应用到染料敏化太阳能电池中, 制备出全固态染料敏化太阳能电池, 虽然仅获得了0.74%的光电转换效率, 但是却使得全固态染料敏化太阳能电池迅速发展成为介观太阳能电池的重要研究方向. 2012年, Park与Grätzel课题组合作, 使用钙钛矿型吸光材料(CH₃NH₃)PbI₃作为敏化剂, spiro-OMeTAD作为空穴收集层, 制备出光电转换效率达到9.7%的全固态介观太阳能电池, 又被称为钙钛矿太阳能电池. 自此, 基于钙钛矿材料的介观太阳能电池迅速成为太阳能电池领域的研究热点. 目前, 钙钛矿太阳能电池的最高公证效率已经达到20.1%. 钙钛矿太阳能电池作为介观太阳能电池商业化道路上里程碑式的突破, 在材料开发、界面优化以及器件稳定性方面的研究仍充满挑战, 也期待新的突破.

关键词: 介观太阳能电池, 全固态, 染料敏化, 钙钛矿, 对电极

As one of candidates of the next generation solar cells, mesoscopic solar cells offer a wide application prospect due to the advantages of abundant raw materials, simple fabrication process, high power conversion efficiency and so on. This review presents a brief overview on the progress of solid-state mesoscopic solar cells in new materials, new technologies and new concepts from dye-sensitized solar cells to perovskite solar cells. In 1998, Grätzel group firstly incorporated solid-state organic hole transport materials spiro-OMeTAD into dye-sensitized solar cell, and fabricated an all-solid-state dye-sensitized solar cell. Though this device only obtained an efficiency of 0.74%, all-solid-state dye-sensitized solar cells became an important direction in the field of mesoscopic solar cells. In 2012, Park group and Grätzel group employed a perovskite absorber (CH₃NH₃)PbI₃ as the sensitizer, and spiro-OMeTAD as the hole collecting layer, developing an all-solid-state mesoscopic solar cell, which was also named perovskite solar cell, with the efficiency of up to 9.7%. Since then, mesoscopic perovskite solar cells based on perovskite materials quickly become a hot topic in the field of solar cell. Presently, the highest certificated power conversion efficiency of perovskite solar cells has reached to 20.1%. As a milestone in the development history of mesoscopic solar cells, perovskite solar cells still have many challenges in material developing, interface engineering, and device stability, and are expecting new breakthroughs in the future.

Key words: mesoscopic solar cells, all-solid-state, dye-sensitized, perovskite, counter electrode

引用此文

荣耀光, 梅安意, 刘林峰, 李雄, 韩宏伟. 全固态介观太阳能电池:从染料敏化到钙钛矿[J]. 化学学报, 2015, 73(3): 237-251.

Rong Yaoguang, Mei Anyi, Liu Linfeng, Li Xiong, Han Hongwei. All-solid-state Mesoscopic Solar Cells: From Dye-sensitized to Perovskite[J]. Acta Chim. Sinica, 2015, 73(3): 237-251.

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

分享此文

参考文献

[1] Pvinsights, N. http://wap.pvinsights.com/
[2] Grätzel, M. Chem. Lett. 2005, 3, 8.
[3] Grätzel, M. Acc. Chem. Res. 2009, 42, 1788.
[4] Gratzel, M. Nature 2001, 414, 338.
[5] O'Regan, B.; Gratzel, M. Nature 1991, 353, 737.
[6] Grätzel, M. J. Photochem. Photobiol. C 2003, 4, 145.
[7] Hagfeldt, A.; Boschloo, G.; Sun, L.; Kloo, L.; Pettersson, H. Chem. Rev. 2010, 110, 6595.
[8] Hardin, B. E.; Snaith, H. J.; Mcgehee, M. D. Nat. Photonics 2012, 6, 162.
[9] Grätzel, M.; Janssen, R. A.; Mitzi, D. B.; Sargent, E. H. Nature 2012, 488, 304.
[10] Green, M. A.; Emery, K.; Hishikawa, Y.; Warta, W.; Dunlop, E. D. Prog. Photovolt: Res. Appl. 2014, 22, 701.
[11] Ma, Y.; Zheng, L.; Zhang, L.; Chen, Z.; Wang, S.; Qu, B.; Xiao, L.; Gong, Q. Acta Chim. Sinica 2015, 73, 257. (马英壮, 郑灵灵, 张立培, 陈志坚, 王树峰, 曲波, 肖立新, 龚旗煌, 化学学报, 2015, 73, 257.)
[12] Huang, X.; Deng, J.; Xu, L.; Shen, P.; Zhao, B.; Tan, S. 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.)
[13] Rong, Y.; Li, X.; Ku, Z.; Liu, G.; Wang, H.; Xu, M.; Liu, L.; Hu, M.; Xiang, P.; Zhou, Z.; Shu, T.; Han, H. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2012, 105, 148.
[14] Dai, S.; Weng, J.; Sui, Y.; Chen, S.; Xiao, S.; Huang, Y.; Kong, F.; Pan, X.; Hu, L.; Zhang, C. Inorg. Chim. Acta 2008, 361, 786.
[15] Rong, Y.; Han, H. J. Nanophotonics 2013, 7, 073090.
[16] Kou, D.; Liu, W.; Hu, L.; Chen, S.; Huang, Y.; Dai, S. 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.)
[17] Rong, Y.; Li, X.; Liu, G.; Wang, H.; Ku, Z.; Xu, M.; Liu, L.; Hu, M.; Yang, Y.; Zhang, M.; Liu, T.; Han, H. J. Power Sources 2013, 235, 243.
[18] Kou, D.; Liu, W.; Hu, L.; Chen, S.; Huang, Y.; Dai, S. 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.)
[19] Rong, Y.; Ku, Z.; Xu, M.; Liu, L.; Hu, M.; Yang, Y.; Chen, J.; Mei, A.; Liu, T.; Han, H. RSC Adv. 2014, 4, 9271.
[20] Xiong, B.; Zhu, Z.; Wang, C.; Chen, B.; Luo, J. 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.)
[21] Tang, X.; Wang, Y. Acta Chim. Sinica 2013, 71, 193. (唐笑, 汪禹汛, 化学学报, 2013, 71, 193.)
[22] Bach, U.; Lupo, D.; Comte, P.; Moser, J. E.; Weissörtel, F.; Salbeck, J.; Spreitzer, H.; Grätzel, M. Nature 1998, 395, 583.
[23] Krüger, J.; Plass, R.; Cevey, L.; Piccirelli, M.; Grätzel, M.; Bach, U. Appl. Phys. Lett. 2001, 79, 2085.
[24] Krüger, J.; Plass, R.; Grätzel, M.; Matthieu, H. Appl. Phys. Lett. 2002, 81, 367.
[25] Schmidt-Mende, L.; Zakeeruddin, S. M.; Gratzel, M. Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 13504.
[26] Schmidt-Mende, L.; Grätzel, M. Thin Solid Films 2006, 500, 296.
[27] Snaith, H. J.; Moule, A. J.; Klein, C.; Meerholz, K.; Friend, R. H.; Grätzel, M. Nano Lett. 2007, 7, 3372.
[28] Snaith, H. J.; Humphry-Baker, R.; Chen, P.; Cesar, I.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M. Nanotechnology 2008, 19, 424003.
[29] 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.; Grätzel, M.; Park, N.-G. Sci. Rep. 2012, 2, 591.
[30] Lee, M. M.; Teuscher, J.; Miyasaka, T.; Murakami, T. N.; Snaith, H. J. Science 2012, 338, 643.
[31] Burschka, J.; Pellet, N.; Moon, S.; Humphry-Baker, R.; Gao, P.; Nazeeruddin, M. K.; Grätzel M. Nature 2013, 499, 316.
[32] Jeon, N. J.; Noh, J. H.; Kim, Y. C.; Yang, W. S.; Ryu, S.; Seok, S. I. Nat. Mater. 2014, 13, 897.
[33] Jeon, N. J.; Noh, J. H.; Yang, W. S.; Kim, Y. C.; Ryu, S.; Seo, J.; Seok, S. I. Nature 2015, 517, 476.
[34] www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg.
[35] 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.
[36] 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.
[37] Laban, W. A.; Etgar, L. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 3249.
[38] Aharon, S.; Gamliel, S.; El, C. B.; Etgar, L. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 10512.
[39] Ku, Z.; Rong, Y.; Xu, M.; Liu, T.; Han, H. Sci. Rep. 2013, 3, 3132.
[40] Mei, A.; Li, X.; Liu, L.; Ku, Z.; Liu, T.; Rong, Y.; Xu, M.; Hu, M.; Chen, J.; Yang, Y.; Han, H. Science 2014, 345, 295.
[41] Ito, S.; Murakami, T. N.; Comte, P.; Liska, P.; Grätzel, C.; Nazeeruddin, M. K.; Grätzel, M. Thin Solid Films 2008, 516, 4613.
[42] Li, D.; Qin, D.; Deng, M.; Luo, Y.; Meng, Q. Energy Environ. Sci. 2009, 2, 283.
[43] Matsumoto, M.; Miyazaki, H.; Matsuhiro, K.; Kumashiro, Y.; Takaoka, Y. Solid State Ionics 1996, 89, 263.
[44] Wang, P.; Dai, Q.; Zakeeruddin, S. M.; Forsyth, M.; MacFarlane, D. R.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 13590.
[45] Wang, H.; Liu, X.; Wang, Z.; Li, H.; Li, D.; Meng, Q. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 5970.
[46] Cai, N.; Moon, S.; Cevey-Ha, L.; Moehl, T.; Humphry-Baker, R.; Wang, P.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M. Nano Lett. 2011, 11, 1452.
[47] Burschka, J.; Dualeh, A.; Kessler, F.; Baranoff, E.; Cevey-Ha, N.; Yi, C.; Nazeeruddin, M. K.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 18042.
[48] Han, H.; Bach, U.; Cheng, Y.; Caruso, R. A.; Macrae, C. Appl. Phys. Lett. 2009, 94, 103102.
[49] Wang, H.; Liu, G.; Li, X.; Xiang, P.; Ku, Z.; Rong, Y.; Xu, M.; Liu, L.; Hu, M.; Yang, Y.; Han, H. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 2025.
[50] Xu, M.; Liu, G.; Li, X.; Wang, H.; Rong, Y.; Ku, Z.; Hu, M.; Yang, Y.; Liu, L.; Liu, T.; Chen, J.; Han, H. Org. Electron. 2013, 14, 628.
[51] Ding, I.; Tétreault, N.; Brillet, J.; Hardin, B. E.; Smith, E. H.; Rosenthal, S. J.; Sauvage, F.; Grätzel, M.; Mcgehee, M. D. Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 2431.
[52] Melas-Kyriazi, J.; Ding, I.-K.; Marchioro, A.; Punzi, A.; Hardin, B. E.; Burkhard, G. F.; Tétreault, N.; Grätzel, M.; Moser, J.-E.; Mcgehee, M. D. Adv. Energy Mater. 2011, 1, 407.
[53] Chondroudis, K.; Mitzi, D. B. Chem. Mater. 1999, 11, 3028.
[54] Cheng, Z.; Lin, J. CrystEngComm 2010, 12, 2646.
[55] Mitzi, D. B.; Field, C. A.; Harrison, W.; Guloy, A. M. Nature 1994, 369, 467.
[56] Zhang, S.; Lanty, G.; Lauret, J.; Deleporte, E.; Audebert, P.; Galmiche, L. Acta Mater. 2009, 57, 3301.
[57] Billing, D. G.; Lemmerer, A. CrystEngComm 2006, 8, 686.
[58] Im, J.; Chung, J.; Kim, S.; Park, N. Nanoscale Res. Lett. 2012, 7, 1.
[59] Kojima, A.; Teshima, K.; Shirai, Y.; Miyasaka, T. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 6050.
[60] Im, J.; Lee, C.; Lee, J.; Park, S.; Park, N. Nanoscale 2011, 3, 4088.
[61] Bi, D.; Moon, S.; Häggman, L.; Boschloo, G.; Yang, L.; Johansson, E. M.; Nazeeruddin, M. K.; Grätzel, M.; Hagfeldt, A. RSC Adv. 2013, 3, 18762.
[62] Green, M. A.; Ho-Baillie, A.; Snaith, H. J. Nat. Photonics 2014, 8, 506.
[63] Ball, J. M.; Lee, M. M.; Hey, A.; Snaith, H. J. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 1739.
[64] Noh, J. H.; Im, S. H.; Heo, J. H.; Mandal, T. N.; Seok, S. I. Nano Lett. 2013, 13, 1764.
[65] Eperon, G. E.; Stranks, S. D.; Menelaou, C.; Johnston, M. B.; Herz, L. M.; Snaith, H. J. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 982.
[66] Pang, S.; Hu, H.; Zhang, J.; Lv, S.; Yu, Y.; Wei, F.; Qin, T.; Xu, H.; Liu, Z.; Cui, G. Chem. Mater. 2014, 26, 1485.
[67] Pellet, N.; Gao, P.; Gregori, G.; Yang, T. Y.; Nazeeruddin, M. K.; Maier, J.; Grätzel, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 3151.
[68] Hao, F.; Stoumpos, C. C.; Cao, D. H.; Chang, R. P. H.; Kanatzidis, M. G. Nat. Photonics 2014, 8, 489.
[69] Edri, E.; Kirmayer, S.; Cahen, D.; Hodes, G. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 897.
[70] Bi, D.; Yang, L.; Boschloo, G.; Hagfeldt, A.; Johansson, E. M. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 1532.
[71] Ryu, S.; Noh, J. H.; Jeon, N. J.; Kim, Y. C.; Yang, W. S.; Seo, J. W.; Seok, S. I. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 2614.
[72] Wu, Y.; Islam, A.; Yang, X.; Qin, C.; Liu, J.; Zhang, K.; Peng, W.; Han, L. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 2934.
[73] Zuo, C.; Ding, L. Nanoscale 2014, 6, 9935.
[74] Yan, W.; Li, Y.; Sun, W.; Peng, H.; Ye, S.; Liu, Z.; Bian, Z.; Huang, C. RSC Adv. 2014, 4, 33039.
[75] Zheng, L.; Chung, Y.-H.; Ma, Y.; Zhang, L.; Xiao, L.; Chen, Z.; Wang, S.; Qu, B.; Gong, Q. Chem. Commun. 2014, 50, 11196.
[76] Wu, Z.; Bai, S.; Xiang, J.; Yuan, Z.; Yang, Y.; Cui, W.; Gao, X.; Liu, Z.; Jin, Y.; Sun, B. Nanoscale 2014, 6, 10505.
[77] Li, W.; Dong, H.; Guo, X.; Li, N.; Li, J.; Niu, G.; Wang, L. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 20105.
[78] Xue, Q.; Hu, Z.; Liu, J.; Lin, J.; Sun, C.; Chen, Z.; Duan, C.; Wang, J.; Liao, C.; Lau, W. M.; Huang, F.;Yip, H.-L.; Cao, Y. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 19598.
[79] Bai, S.; Wu, Z.; Wu, X.; Jin, Y.; Zhao, N.; Chen, Z.; Mei, Q.; Wang, X.; Ye, Z.; Song, T.; Liu, R.; Lee, S.-T.; Sun, B. Nano Res. 2014, 7, 1749.
[80] Wang, L.; McCleese, C.; Kovalsky, A.; Zhao, Y.; Burda, C. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 12205.
[81] Abate, A.; Leijtens, T.; Pathak, S.; Teuscher, J.; Avolio, R.; Errico, M. E.; Kirkpatrik, J.; Ball, J. M.; Docampo, P.; Mcpherson, I. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 2572.
[82] Xiao, J.; Han, L.; Zhu, L.; Lv, S.; Shi, J.; Wei, H.; Xu, Y.; Dong, J.; Xu, X.; Xiao, Y.; Li, D.; Wang, S.; Luo, Y.; Li, X.; Meng, Q. RSC Adv. 2014, 4, 32918.
[83] Liu, J.; Wu, Y.; Qin, C.; Yang, X.; Yasuda, T.; Islam, A.; Zhang, K.; Peng, W.; Chen, W.; Han, L. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 2963.
[84] Murakami, T. N.; Ito, S.; Wang, Q.; Nazeeruddin, M. K.; Bessho, T.; Cesar, I.; Liska, P.; Humphry-Baker, R.; Comte, P.; Péchy, P.; Grätzel, M. J. Electrochem. Soc. 2006, 153, A2255.
[85] Liu, G.; Li, X.; Wang, H.; Rong, Y.; Ku Z.; Xu, M.; Liu, L.; Hu, M.; Yang, Y.; Han, H. Carbon 2013, 53, 11.
[86] Yang, Y.; Xiao, J.; Wei, H.; Zhu, L.; Li, D.; Luo, Y.; Wu, H.; Meng, Q. RSC Adv. 2014, 4, 52825.
[87] Liu, G.; Wang, H.; Li, X.; Rong, Y.; Ku, Z.; Xu, M.; Liu, L.; Hu, M.; Yang, Y.; Xiang, P.; Han, H. Electrochim. Acta 2012, 69, 334.
[88] Huang, Z.; Liu, X.; Li, D.; Luo, Y.; Li, H.; Song, W.; Chen, L.; Meng, Q. Electrochem. Commun. 2007, 9, 596.
[89] Liu, G.; Li, X.; Wang, H.; Rong, Y.; Ku, Z.; Xu, M.; Liu, L.; Hu, M.; Yang, Y.; Han, H. J. Mater. Chem. A 2013, 1, 1475.
[90] Hao, F.; Dong, P.; Zhang, J.; Zhang, Y.; Loya, P. E.; Hauge, R. H.; Li, J.; Lou, J.; Lin, H. Sci. Rep. 2012, 2, 368.
[91] Wu, M.; Lin, X.; Wang, T.; Qiu, J.; Ma, T. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 2308.
[92] Rong, Y.; Ku, Z.; Mei, A.; Liu, T.; Xu, M.; Ko, S.; Li, X.; Han, H. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 2160.
[93] Yang, Y.; Ri, K.; Mei, A.; Liu, L.; Hu, M.; Liu, T.; Li, X.; Han, H. J. Mater. Chem. A 2014, DOI: 10.1039/C4TA07030E.
[94] Liu, L.; Mei, A.; Liu, T.; Jiang, P.; Sheng, Y.; Zhang, L.; Han, H. J. Am. Chem. Soc. 2015, DOI: 10.1021/ja5125594.
[95] Zhang, L.; Liu, T.; Liu, L.; Hu, M.; Yang, Y.; Mei, A.; Han, H. J. Mater. Chem. A 2014, DOI: 10.1039/C4TA04647A.
[96] Xu, M.; Rong, Y.; Ku, Z.; Mei, A.; Liu, T.; Zhang, L.; Li, X.; Han, H. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 8607.
[97] Park, N. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 2423.
[98] Smestad, G. P.; Krebs, F. C.; Lampert, C. M.; Granqvist, C. G.; Chopra, K. L.; Mathew, X.; Takakura, H. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2008, 92, 371.
[99] Niu, G.; Li, W.; Meng, F.; Wang, L.; Dong, H.; Qiu, Y. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 705.
[100] Leijtens, T.; Eperon, G. E.; Pathak, S.; Abate, A.; Lee, M. M.; Snaith, H. J. Nature Commun. 2013, 4, 2885.
[101] Matteocci, F.; Razza, S.; Di, G. F.; Casaluci, S.; Mincuzzi, G.; Brown, T. M.; D'Epifanio, A.; Licoccia, S.; Di, C. A. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 3918.
[102] Niu, G.; Guo, X.; Wang, L. J. Mater. Chem. A 2015, DOI: 10.1039/C4TA04994B
[103] Zhou, H.; Chen, Q.; Li, G.; Luo, S.; Song, T.; Duan, H.; Hong, Z.; You, J.; Liu, Y.; Yang, Y. Science 2014, 345, 542.