前言：

"能源危机与环境污染已成为当代人类发展面临的巨大挑战。太阳能电池的清洁性、安全性、资源可再生性等一系列优点更加凸显。越来越多的国家开始实行“阳光计划”，各个国家相继制定了一系列推动光伏发电的优惠政策，为光伏产业创造了良好的发展机遇和巨大的市场空间。1954年，贝尔实验室制备出第一块晶硅太阳能电池，光电转换效率（PCE）为4.5%。经过不断努力，目前单结晶硅太阳能电池的效率已达到了26.6%。晶硅电池技术成熟，占据了电池市场90%以上的份额，在工业生产和大规模光伏应用领域占有统治地位。

即便如此，因薄膜太阳能电池具有生产成本低、能量回收期短、便于大面积连续生产、运输安装方便等特点，也备受关注。晶体硅是间接带隙半导体材料，光吸收系数相对较低，晶硅电池所用硅片厚度在180μm左右。非晶硅的光吸收系数远高于晶体硅，制备太阳能电池所需的非晶硅薄膜只需要1μm厚，大大降低了材料的需求量。该材料的沉积温度低，可以直接沉积在玻璃、不锈钢和塑料膜等衬底上。非晶硅太阳能电池技术发展最早，已实现大规模生产，但是非晶硅材料在光照时存在光致衰退现象。另外，非晶硅材料带隙较宽，难以吸收700nm波长以上的光子，限制了其对太阳光谱的利用率。微晶硅材料，是一种非晶与微晶硅颗粒组成的混合相材料，其带隙最低可接近单晶硅的1.1eV，并且稳定性高，而且微晶硅电池基本无衰退。相对于非晶硅电池而言，采用非晶硅/微晶硅叠层电池既可拓宽电池长波光谱响应，又可提高电池的稳定性。日本夏普和三菱公司最早实现非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池产业化生产，生产线产能30MW以上。近些年来，以GaAs等Ⅲ -Ⅴ族化合物、CdS和CdTe 等Ⅱ -Ⅵ族化合物以及铜铟镓硒（Cu-In-Ga-Se，CIGS）等为代表的半导体化合物薄膜太阳能电池技术发展迅速，转换效率均能超过20%，部分技术已经实现规模化生产。但是，电池的缺陷也十分突出，As、Cd等元素含有剧毒，对环境和人类健康存在很大威胁，而In则是稀有金属，提取困难。因此，尽管具有高效率、低成本的优势，仍然无法实现大规模生产和应用。

为此人们提出进一步利用新材料和新技术制备更清洁环保的高效电池，主要包括有机聚合物太阳能电池、新型半导体化合物太阳能电池和有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池等。最引人注目的是近几年发展起来的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池，其转换效率从2009年初次报道的3.8%迅速飙升至22.7%，很快成为了太阳能电池研究领域中关注的焦点。有机- 无机杂化钙钛矿材料被引入太阳能电池领域后，大大超越染料敏化太阳能电池和有机化合物太阳能电池，显示出工业化潜力。基于有机金属卤化物的钙钛矿太阳能电池被认为是近年来光伏领域最重要的发明之一。

本书重点选取几类目前还处于研究阶段、有可能取得突破实现大规模产业化的薄膜太阳能电池进行介绍。希望对太阳能电池领域的研究人员有一些借鉴。

在本书的编著过程中，张帅、贾旭光、王书博、房香、郭华飞、蒋君、马昌昊、孙越、陆永婷、许林军、郭晓海、刘巍等进行了部分资料收集，袁宁一、房香、张婧、林本才、邱建华、张克智、董旭帮助校对。由于编者学识所限，加之时间仓促，书中不足之处在所难免，敬请广大读者批评指正。

编著者

2018 年7 月

目录：

"第1篇有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池　　　　　001

第1章　有机-无机杂化钙钛矿光伏材料结构与性能 / 002

1.1　三维有机-无机杂化钙钛矿光伏材料 / 003

1.1.1　A位改变 / 004

1.1.2　B位改变 / 008

1.1.3　X位改变 / 009

1.2　二维有机-无机杂化钙钛矿光伏材料 / 011

1.3　有机-无机杂化钙钛矿材料中载流子动力学 / 013

参考文献 / 016

第2章　钙钛矿吸收层制备及优化 / 020

2.1　有机-无机杂化钙钛矿吸收层的制备方法 / 020

2.1.1　一步旋涂法 / 020

2.1.2　分步液浸法 / 024

2.1.3　两步旋涂法 / 025

2.1.4　气相沉积法 / 025

2.2　钙钛矿薄膜的改性 / 027

2.2.1　有机或无机分子添加剂 / 028

2.2.2　卤素阴离子X对I元素的部分取代 / 032

2.2.3　阳离子对MA的取代 / 034

2.3　无铅钙钛矿光伏材料制备方法及性能研究 / 039

2.3.1　新型无铅类钙钛矿光伏材料的出现 / 039

2.3.2　非铅类钙钛矿的研究现状 / 039

2.3.3　钙钛矿衍生物 / 045

2.3.4　新型钙钛矿太阳能电池的发展前景 / 051

参考文献 / 052

第3章　有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池结构 / 059

3.1　有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池组成材料 / 059

3.1.1　电子传输层 / 059

3.1.2　空穴传输层 / 067

3.2　常见的钙钛矿电池结构 / 081

3.2.1　介孔结构 / 081

3.2.2　平面结构 / 082

3.2.3　无电子传输层结构钙钛矿太阳能电池 / 084

3.2.4　无空穴传输层结构钙钛矿太阳能电池 / 085

3.2.5　无空穴传输层碳电极结构 / 085

3.3　有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池极限效率 / 087

参考文献 / 087

第4章　有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的稳定性 / 093

4.1　水氧条件下的稳定性 / 094

4.2　高温条件下的稳定性 / 100

4.3　光照条件下的稳定性 / 102

4.4　小结 / 106

参考文献 / 107

第5章　有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池低温工艺及柔性器件 / 112

5.1　钙钛矿太阳能电池低温工艺 / 113

5.2　柔性电极 / 114

5.3　平板柔性钙钛矿太阳能电池 / 116

5.3.1　n-i-p型柔性钙钛矿太阳能电池 / 116

5.3.2　p-i-n型柔性钙钛矿太阳能电池 / 120

5.4　纤维型钙钛矿太阳能电池 / 123

5.5　小结 / 127

参考文献 / 127

第6章　有机-无机杂化钙钛矿叠层太阳能电池 / 132

6.1　钙钛矿叠层太阳能电池结构 / 133

6.1.1　机械堆叠4-T叠层电池 / 133

6.1.2　光学耦合4-T叠层电池 / 135

6.1.3　单片集成2-T叠层电池 / 138

6.2　透明电极或复合层 / 144

6.2.1　透明电极材料 / 144

6.2.2　2-T叠层电池的中间复合层 / 148

6.3　钙钛矿叠层太阳能电池的能量损失分析 / 149

6.3.1　光损失 / 149

6.3.2　电损失 / 151

6.3.3　电流失配导致的能量损失 / 151

6.4　钙钛矿叠层电池效率极限 / 151

6.5　小结 / 153

参考文献 / 154

第2篇新型半导体化合物薄膜太阳能电池　　　　　159

第7章　铜锌锡硫（CZTS）薄膜太阳能电池 / 160

7.1　CZTS的晶体结构及缺陷分析 / 161

7.2　CZTS电池结构 / 164

7.3　CZTS吸收层的制备方法 / 166

7.3.1　磁控溅射法 / 166

7.3.2　蒸发法 / 166

7.3.3　溶液法 / 167

7.3.4　纳米晶法 / 169

7.4　CZTS改性及其电池应用 / 170

7.4.1　Ag基新型四元半导体电池 / 171

7.4.2　CZTiS新型四元半导体电池 / 172

7.4.3　CCTS新型四元半导体电池 / 173

7.5　CdS缓冲层的制备方法 / 175

7.6　缓冲层改进 / 175

7.6.1　Zn1-xCdxS缓冲层 / 176

7.6.2　ZnS缓冲层 / 177

7.6.3　Mg1-xZnxO缓冲层 / 177

7.6.4　ZTO缓冲层 / 178

7.6.5　CeO2缓冲层 / 178

7.6.6　AZTS缓冲层 / 179

参考文献 / 180

第8 章　铜铟硒（CIS）薄膜太阳能电池 / 185

8.1　CIS 晶体结构及物理性能 / 185

8.2　CIS 电池结构 / 189

8.3　CIS 电池的制备 / 191

8.3.1　CIS 吸收层的制备 / 191

8.3.2　CdS 缓冲层 / 199

8.3.3　窗口层 / 199

8.4　其他三元半导体化合物电池 / 200

8.4.1　Cu2SnS3 / 200

8.4.2　CuSbX2 / 203

参考文献 / 209

第9 章　新型二元半导体化合物薄膜太阳能电池 / 215

9.1　Sb2Se3 薄膜太阳能电池 / 215

9.1.1　Sb2Se3 晶体结构与物理光电性能 / 215

9.1.2　Sb2Se3 电池结构及性能分析 / 218

9.1.3　Sb2Se3 薄膜的制备方法 / 219

9.1.4　Sb2Se3 吸收层的优化及现状 / 226

9.1.5　无Cd 缓冲层的研究 / 228

9.2　Sb2S3 薄膜太阳能电池 / 231

9.2.1　Sb2S3 的结构及物理性质 / 231

9.2.2　Sb2S3 的制备方法 / 232

9.2.3　Sb2S3 薄膜太阳能电池性能 / 233

参考文献 / 235

第3 篇有机薄膜太阳能电池　　　　　239

第10 章　有机薄膜太阳能电池概论 / 240

10.1　有机太阳能电池结构及其工作原理 / 240

10.1.1　肖特基结构 / 240

10.1.2　双层D/A 异质结结构 / 241

10.1.3　D/A 本体异质结结构 / 242

10.1.4　叠层结构 / 242

10.2　有机薄膜太阳能电池制备方法 / 243

10.2.1　真空沉积法 / 243

10.2.2　溶液法 / 243

10.3　有机薄膜太阳能电池材料 / 245

10.3.1　有机小分子材料 / 245

10.3.2　聚合物材料 / 267

10.4　小结 / 273

参考文献 / 274