钙钛矿太阳电池简介

钙钛矿太阳能电池结构其核心是具有钙钛矿晶型（ABX3）的有机金属卤化物吸光材料。在这种钙钛矿ABX3结构中，A为甲胺基（CH3NH3），B为金属铅原子，X为氯、溴、碘等卤素原子。目前在高效钙钛矿型太阳能电池中，最常见的钙钛矿材料是碘化铅甲胺（CH3NH3PbI3），它的带隙约为1.5eV，消光系数高，几百纳米厚薄膜就可以充分吸收800nm以下的太阳光。而且，这种材料制备简单，将含有PbI2和CH3NH3I的溶液，在常温下通过旋涂即可获得均匀薄膜。上述特性使得钙钛矿型结构CH3NH3PbI3不仅可以实现对可见光和部分近红外光的吸收，而且所出现的光生载流子不易复合，能量损失小，这是钙钛矿型太阳能电池能够实现高效率的根本原因。

由于相对复杂的晶体结构对A、B、X三个位点上的原子（或基团）半径有着较高的要求，钙钛矿吸光材料的组成比较固定。最近一些研究组用甲咪基取代A位上甲胺基，使带隙变窄（1.48eV），获得了更高的光电流。关于B位上的Pb原子，当Sn原子替换Pb原子后，目前尚未见有光电响应的报道。而X位上的原子，目前可以选用氯、溴、碘等卤素原子，但只有以碘为主的钙钛矿有合适的带隙，可以获得高转换效率。除了CH3NH3PbI之外，CH3NHPbI3-xClx也是目前研究较多的材料。在保持能级结构基本不变的情况下，少量氯元素的掺杂可以提高电子迁移率，显示出了更加优异的光电性能。但是，与硅基相比，目前常用的钙钛矿吸光材料存在着光响应范围不够宽、对水和一些溶剂敏感、含重金属铅等不足。因此，寻找带隙更窄、化学稳定性更好、对环境更友好的钙钛矿材料是非常有意义的。

钙钛矿薄膜太阳能电池的发展起源于敏化太阳能电池，且基于敏化太阳能电池、有机太阳能电池等在过去二十年里积累的相关技术，才得以飞速发展。最早的钙钛矿太阳能电池是采用CH3NH3PbI3敏化TiO2光阳极和液态I3-/I-电解质，效率只有3.8%（通过优化达到6.5%）。但由于CH3NH3PbI3在液态I3-/I-电解质中不稳定，使得电池稳定性差，目前这方面的研究非常少。采用固态空穴传输材料（HTM）（如spiro-OMeTAD,P3HT等）替换液态I3-/I-电解质，电池效率得到了极大提高，达到16%，已经超过染料敏化太阳能电池的最高效率（13%），并具有良好的稳定性。

在此基础上，H.Snaith等把多孔支架层n型半导体TiO2换成绝缘材料Al2O3或者ZrO2，并用空穴传输材料组装成薄膜电池，同样也可以实现高效率（已报道的最高效率为15.9%）。这一结果表明这种钙钛矿材料CH3NH3PbI3本身具有良好的电子传导能力。基于绝缘材料支架层的钙钛矿型太阳能电池在原理上已经超越了传统的敏化概念，而是一种介观超结构的异质结型太阳能电池。更进一步地，去掉绝缘的支架层，基于均匀的高质量钙钛矿薄膜，制备出的平面型异质结电池也可以获得高效率（已报道的最高效率为15.7%）。另一方面，在没有空穴传输材料的情况下，钙钛矿与多孔TiO2形成异质结电池，电池效率也已经达到10.5%。在这种类似于胶体量子点太阳能电池的结构里，钙钛矿本身起到了吸光和空穴传输的双重用途。此外，把钙钛矿材料作为吸光层用于有机太阳能电池的结构中，用富勒烯衍生物PCBM作为电子传输层，PEDOT：PSS作为空穴传输层，可以实现12%以上的效率，超过了传统有机/聚合物太阳能电池的最好结果。值得一提的是，这种基于有机太阳能电池结构的钙钛矿型太阳能电池可以实现柔性化和卷对卷式的规模化生产，目前这种柔性钙钛矿电池已经达到了9.2%的高效率

钙钛矿材料在这些结构迥异的太阳能电池中，都能够实现10%以上的高效率，在未来的实际应用中，也许同样会出现多种结构并存竞争的局面。同时，对材料的基本性质和电池工作原理的深入研究和理解也是十分重要的，这不仅有助于进一步提高钙钛矿型电池性能，也能为人们寻找更简单或更高效的新结构供应思路。