钙钛矿太阳能电池结构及原理

近几年，钙钛矿太阳能电池的研究不断刷新了光电转化效率的纪录，目前已经超过22%了。虽然现在每年光伏产业产能的90%以上都来自晶硅电池，但是由于钙钛矿太阳能电池的优良特性众多，越来越多的人对它青睐有加，源源不断的人力、物力都投入到了相关研究当中，钙钛矿太阳能电池巨大的魅力也逐渐展现在了人们面前。有趣的是，钙钛矿太阳能电池中并没有钙元素，也没有钛元素。其实，它得名于其中的吸光层材料：一种钙钛矿型物质。钙钛矿是以俄罗斯矿物学家Perovski的名字命名的，刚开始单指钛酸钙（CaTIO3）这种矿物，后来把结构与之类似的晶体统称为钙钛矿物质。钙钛矿太阳能电池中常用的光吸收层物质是甲氨铅碘（CH3NH3PbI3），由于CH3NH3PbI3这种材料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。有机金属卤化物钙钛矿的基本结构及电池构造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材料的太阳能电池。这种材料制备工艺简单，成本较低。钙钛矿材料的结构通式为ABX3，其中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原子位于立方晶胞体心处，卤素X原子位于立方体面心，有机阳离子A位于立方体顶点位置。相比于以共棱、共面形式连接的结构，钙钛矿结构更加稳定，有利于缺陷的扩散迁移。在用于高效太阳能电池的钙钛矿结构中，A位通常为HC（NH2）2+（简称FA+）或者CH3NH3+（简称MA+）等有机阳离子，其主要作用是在晶格中维持电荷平衡，但A离子的尺寸大小可以改变能隙的大小。当A离子半径增大，点阵扩张，导致能隙相应变小，吸收边发生红移，从而获得更大的短路电流和16%左右的高电池转换效率。金属离子B通常为Pb离子，Pb具有良好的稳定性，但由于有毒性，因此也常被Ge，Sn，TI替代。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良好的光电特性，电压损失很小。但在同一族元素中，原子序数越小，元素稳定性越差。为了解决稳定性问题，将Pb与Sn按一定比例结合，降低Sn带来的不稳定性，同时又获得较高的转换效率。卤素基团X通常为碘、溴和氯。其中带有碘基团的钙钛矿太阳能电池在力学性能上（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依次拓宽，能隙的红移也逐次增加。这是由于随着原子量的升高，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。杭州奥得科技有限公司，是地处杭州师范大学科技园的一家创新型高技术企业，主要致力于有机光电材料及中间体等的开发及应用。