近几年，钙钛矿太阳能电池的研讨不断改写了光电转化功率的纪录，现在现已超越22%了。
虽然现在每年光伏工业产能的90%以上都来自晶硅电池，可是因为钙钛矿太阳能电池的优秀特性许多，越来越多的人对它喜爱有加，连绵不断的人力、物力都投入到了相关研讨傍边，钙钛矿太阳能电池巨大的魅力也逐步展现在了人们面前。
风趣的是，钙钛矿太阳能电池中并没有钙元素，也没有钛元素。
其实，它得名于其间的吸光层资料：一种钙钛矿型物质。
钙钛矿是以俄罗斯矿藏学家Perovski的姓名命名的，开端单指钛酸钙（CaTIO3）这种矿藏，后来把结构与之相似的晶体统称为钙钛矿藏质。
钙钛矿太阳能电池中常用的光吸收层物质是甲氨铅碘（CH3NH3PbI3），因为CH3NH3PbI3这种资猜中既含有无机的成分，又含有有机分子基团，所以人们也将这类太阳能电池称作杂化钙钛矿太阳能电池。
钙钛矿藏质的原子结构
（a）钛酸钙（GaTIO3）晶体的原子结构；（b）钙钛矿太阳能中吸光层物质甲氨铅碘（CH3NH3PbI3）晶体的原子结构。
光电转化功率高
想要了解钙钛矿太阳能电池具有高效功能、备受人们喜爱的隐秘地点，咱们就不得不说说它的光吸收与能量转化的原理了。
激子生成示意图
这一美妙的进程大致如下：
太阳光入射到电池吸收层后随即被吸收，光子的能量将本来捆绑在原子核周围的电子激起，使其构成自由电子。
因为物质全体上有必要坚持电中性，电子被激起后就会一起发作一个额定的带正电的对应物，物理学上将其叫做空穴。这样的一个“电子–空穴对”便是科学家们常说的“激子”。
钙钛矿太阳能电池的结构与运转机理示意图
激子被别离成电子与空穴后，别离流向电池的阴极和阳极。
有机金属卤化物钙钛矿结构太阳能电池是一种以全固态钙钛矿结构作为吸光资料的太阳能电池，其能隙约为1.5eV消光系数高，几百纳米厚的薄膜即可充沛吸收800 nm以下的太阳光， 在光电转化范畴具有重要的运用远景。钙钛矿太阳能电池凭仗杰出的吸光性和电荷传输速率，以及巨大的开发潜力， 被誉为“光伏范畴的新希望”。跟着电池功率纪录不断被改写， 更多关于钙钛矿电池的研讨成果不断涌现， 内容包括结构规划、作业机理、制备工艺各个方面的优化。
有机金属卤化物钙钛矿的根本结构及电池结构
有机金属卤化物钙钛矿结构太阳能电池是一种以全固态钙钛矿结构作为吸光资料的太阳能电池。这种资料制备工艺简略， 本钱较低。钙钛矿资料的结构通式为ABX3， 其间A为有机阳离子， B为金属离子， X为卤素基团。该结构中， 金属B原子坐落立方晶胞体心处， 卤素X原子坐落立方面子心， 有机阳离子A坐落立方体极点方位（图1）。比较于以共棱、共面方法衔接的结构， 钙钛矿结构愈加安稳， 有利于缺点的分散搬迁。
图1 钙钛矿ABX3 结构示意图
在用于高效太阳能电池的钙钛矿结构中， A位一般为HC（NH2）2+（简称FA+）或许CH3NH3+（简称MA+）等有机阳离子， 其主要作用是在晶格中保持电荷平衡，但A离子的尺度巨细能够改动能隙的巨细。当A离子半径增大， 点阵扩张， 导致能隙相应变小， 吸收边发作红移， 然后取得更大的短路电流和16%左右的高电池转化功率。金属离子B一般为Pb离子， Pb具有杰出的安稳性， 但因为有毒性， 因而也常被Ge， Sn，TI代替。 以Sn为例， Sn-X-Sn键角大于Pb， 能隙更窄，ASnX3表现出很高的开路电压和杰出的光电特性，电压丢失很小。但在同一族元素中， 原子序数越小， 元素安稳性越差。 为了处理安稳性问题， 将Pb与Sn按必定份额结合， 下降Sn带来的不安稳性， 一起又取得较高的转化功率。 卤素基团X一般为碘、溴和氯。 其间带有碘基团的钙钛矿太阳能电池在力学功能上（如弹性、强度等）不如带有溴基团的电池。电子吸收光谱由Cl至I顺次拓展，能隙的红移也逐次增加。 这是因为跟着原子量的升高， 元素电负性变弱， 与金属离子B成键中的共价作用增强。 ABX3型的有机-无机卤化物在不同温度下具有不同的结构。
钙钛矿太阳能电池的根本结构一般为衬底资料/导电玻璃（镀有氧化物层的基片玻璃）/电子传输层（二氧化钛）/钙钛矿吸收层（空穴传输层）/金属阴极（图2）。
图2 （网络版五颜六色）两种典型的钙钛矿太阳能电池的结构示意图。
（a） 介观结构钙钛矿太阳能电池;
（b） 平面异质结结构钙钛矿太阳能电池
入射光透过玻璃入射今后， 能量大于禁带宽度的光子被吸收， 发作激子， 随后激子在钙钛矿吸收层别离， 变为空穴和电子并别离注入传输资猜中。 其间空穴注入是从钙钛矿资料进入到空穴传输资猜中， 电子注入是从钙钛矿资料进入到电子传输资料（一般为二氧化钛薄膜）中。根据此， 钙钛矿有两类结构：介观结构和平面异质结结构。 介观结构钙钛矿太阳能电池是根据染料敏化太阳能电池（DSSCs）发展起来的， 和DSSCs的结构相似： 钙钛矿结构纳米晶附着在介孔结构的氧化物（如TIO2）骨架资料上， 空穴传输资料堆积在其外表， 三者一起作为空穴传输层（图2（a））。在这种结构中， 介孔氧化物（TiO2）既是骨架资料， 也能起到传输电子的作用。 平面异质结结构将钙钛矿结构资料别离出来， 夹在空穴传输资料和电子传输资猜中心（图2（b））。激子在夹芯的钙钛矿资猜中别离， 这种资料可一起传输空穴和电子。
钙钛矿结构资料的晶体学取向也会影响电池功率。 Docampo等研讨发现， 当进步溶液的浸泡温度， 或许在CH3NH3I和PbCl2混合后进行后续热处理，得到的电池短路电流更大， 转化功率更高。而这个进程发作的改动便是钙钛矿结构的长轴方向趋向于与基底平行， 构成各向异性。 这种各向异性越显着， 电池功能越好， 因而研讨钙钛矿资料的晶体学取向也是取得优异功能的要点方向之一。
钙钛矿太阳能电池的发展方向
进步电池转化功率
转化功率是衡量太阳能电池功能最重要的目标，现在得到认证的最高电池转化功率现已到达20.1%（图3）。 约束太阳能电池转化功率进步的瓶颈在于入射光的大部分能量被反射或许透射损耗掉， 而只要与吸光层资料能隙附近的光才干被吸收转化为电能。 因而， 进步电池转化功率的关键在于改进电池的能带结构。 除了上文中说到的经过调控钙钛矿资猜中的离子基团来调节能隙， 制备出不同能隙的多结太阳能电池也是该范畴研讨的重要方向之一。
图3 美国国家可再生能源实验室（NREL）给出的各类太阳能电池转化功率数据
除此之外， 削减电子和空穴在传输进程中的复合来进步传输速率， 也是进步转化功率的重要途径。
（ⅰ） 界面调控。 由钙钛矿电池作业机理能够看出， 钙钛矿太阳能电池转化功率的进步不只取决于光的吸收能力， 还取决于载流子在钙钛矿结构中的传输速率。
（ⅱ） 改进钙钛矿电池的制备工艺。钙钛矿太阳能电池作为一种新式的薄膜太阳能电池， 其制备工艺与其他薄膜电池相似， 例如旋转涂覆法（溶液旋涂法）、真空蒸镀法（气相法）等。 不管何种制备办法都以制备高纯度、缺点少、高覆盖率、细密的钙钛矿层薄膜与传输层薄膜为意图， 其本质在于改进不同层结构之间的电学触摸， 下降缺点密度， 削减载流子在传输进程中的损耗， 然后完成高的电池转化功率。
（ⅲ） 新资料和新电池结构的测验。现在， 钙钛矿太阳能电池最常用的资料是用CH3NH3PbI3作为光吸收层， 用TiO2作为电子传输层， 用spiro-OMeTAD作为固态空穴传输层， 开端的转化功率到达了8.3%。 为了进一步进步太阳能电池的转化功率，杰出钙钛矿资料的优势， 人们开端在太阳能电池的不同结构上运用新资料， 或许规划新的电池结构， 希望得到打破。
整体来说，不管是新资料的运用， 仍是新器材结构的改进，各种办法虽然都得到了较好的电池转化功率，但比较传统结构的钙钛矿太阳能电池来说仍然略低，不过从本钱、安稳性、环境友好等视点考虑，都具有很高的研讨价值。
进步太阳能电池安稳性
有机金属卤化物钙钛矿资料在湿润环境和光照条件下安稳性较差，容易发作分化而构成电池功率下降乃至失效，因而除不断进步转化功率外，现在许多研讨也致力于进步太阳能电池的安稳性。 钙钛矿电池的安稳性遭到温度、湿度等多种环境要素的限制。 改进钙钛矿电池的安稳性有两种思路： 一种是进步钙钛矿资料自身的安稳性，另一种是寻觅适宜的传输层资料使电池与环境阻隔，按捺钙钛矿资料的分化。
在前一种办法中， Smith等人以一种二维混合钙钛矿资料（PEA）2（MA）2［Pb3I10］ （PEA=C6H5（CH2）2NH3+， MA=CH3NH3+）作为吸收资料（结构如图4所示），该结构可经过旋涂堆积构成且无需高温退火。 和一般三维钙钛矿资料（MA）［PbI3］比较， 二维钙钛矿电池在室温湿润环境下放置46天而不引起功能的显着下降， 具有很好的安稳性。 但现在能够代替ABX3中各组分的原子/原子团的挑选很有限， 相关研讨报导也比较少。 近年来更多的研讨会集在后者， 即寻觅适宜的传输层资料。
图4 （网络版五颜六色）钙钛矿资料的改进及安稳性进步。
（a） 两种晶体结构示意图， 其间A和B别离为三维资料（MA）［PbI3］和二维资料（PEA）2（MA）2［Pb3I10］的结构;
（b） 不同薄膜在湿润环境下经过相一起间后XRD谱， 其间1， 2a， 2b别离为二维资料薄膜、旋涂质量较差的三维资料薄膜和旋涂质量较好的三维资料薄膜
在第二种办法中， 研讨者致力于寻觅更好的空穴传输资料来进步钙钛矿太阳能电池的安稳性。 好的空穴传输资料能使激子具有更长的寿数和量子产率， 延伸电池的运用寿数。 钙钛矿电池中一般运用的空穴传输资料为p型掺杂的spiro-OMeTAD。经过改动空穴传输资料来进步资料安稳性的思路有两类：第一类是用其他资料来替换原有的空穴资料; 另一类是向该空穴资猜中参加增加剂或许替换原有的p型增加剂。 两类办法进步安稳性的作用如图5所示。
图5 （网络版五颜六色）改进钙钛矿太阳能电池安稳性的不同办法。
（a） 运用四硫富瓦烯衍生物（TTF-1）和环二芴（spiro-OMeTAD）作为空穴传输资料的两种电池的安稳性比照;
（b） 增加PDPPDBTE电池与原资料电池的安稳性比照;
（c） 选用不同的掺杂剂后电池的安稳性;
（d） 不同XTHSI在3 个月后的电池功率改变（其间X代表金属元素（如Li， Co， Ir）， THIS代表二（酰基三氟甲烷）酰亚胺））
在第二类办法中， p型增加剂的引进可进步载流子浓度， 从而削减串联电阻及界面处的电荷传输阻抗。 现在作用较抱负的掺杂剂是LiTFSI（锂基二（酰基三氟甲烷）酰亚胺）。 但在含氧环境中， 氧气会耗费空穴传输层和TiO2外表的锂离子， 使光电流下降、电阻升高， 下降电池的安稳性， 因而寻觅更好的增加剂不只能够起到进步功率的作用， 还能够进一步进步安稳性。 运用其他元从来替换金属Li是现在研讨的热门之一。
完成钙钛矿太阳能电池的环境友好化
因为含铅资料对环境的不友好性， 研讨者们在努力完成无铅化， 但相应会带来电池转化功率的下降。 最直接的办法是运用本家元素（如Sn）来代替Pb元素。 在MAXI3资猜中， CH3NH3SnI3的能隙仅为1.3 eV，远低于CH3NH3PbI3的1.55 eV， 能够使吸收光谱发作红移。 选用CsSnI3作为光吸收资料， 并参加SnF2作为增加剂也以削减缺点密度， 进步载流子浓度， 从而进步电池功率。这两种代替的吸收资料的吸收光谱发作显着红移， 能够吸收更宽波段的入射光。
从处理环境污染但又不献身电池转化功率的视点动身，Chen等人提出了另一种思路， 即收回轿车电池来供给铅源。 因为轿车电池中的铅源具有相同的资料特性（如晶体结构、描摹、吸光性和光致发电功能）和光电功能， 既供给了钙钛矿资料制备所需的铅源， 又处理了废旧含铅电池无法妥善处理的问题， 因而具有必定的实践运用价值。
定论
钙钛矿太阳能电池也存在一些亟需打破的问题。 首要， 人们大多专心于从不同的视点改进资料和制备办法来进步电池的转化功率， 但一直没有建立起齐备的理论模型来解说电池转化功率进步的原因， 难以得到一个精确牢靠的转化功率的理论上限。 其次， 怎么统筹进步安稳性和转化功率是现在的一个难点。 钙钛矿太阳能电池对水蒸气和氧气十分灵敏，虽然现在现已呈现安稳性长达4个月的电池， 但功率仅有12%， 比较传统晶硅电池（寿数可达25年）， 仍然有较大间隔。 再次，怎么完成钙钛矿太阳能电池的大面积接连制备也是现在面对的一个重要问题。在实验室所制得的器材的尺度仅有几厘米巨细，与满意工业化需求还有间隔。 终究， 怎么防止运用铅等对环境不友好的重金属一起统筹高的转化功率也是现在面对的严重应战。 现在用其他元素替换铅一般要以下降电池功率为价值， 寻觅更合理的方法处理含铅带来的环境问题， 使钙钛矿太阳能电池可收回、可再生， 对实践工业化相同重要。根据此，经过改进钙钛矿层与其他传导层间的界面功能， 寻觅更高效的电子/空穴传输资料， 电池转化功率仍有十分大的进步空间， 一起也能够使太阳能电池的安稳性得到改进。完成钙钛矿资料的无铅化， 也成为钙钛矿太阳能电池终究能否被大众承受、完成广泛运用的关键要素之一。
