鈣鈦礦太陽能電池結構

有機金屬鹵化物鈣鈦礦結構太陽能電池是一種以全固態鈣鈦礦結構作為吸光材料的太陽能電池。這種材料(liao)制備工(gong)藝簡單，成本較(jiao)低(di)。鈣(gai)鈦礦(kuang)(kuang)材料(liao)的結(jie)構(gou)(gou)通式為ABX3，其中A為有(you)機(ji)陽(yang)離子(zi)(zi)(zi)，B為金屬離子(zi)(zi)(zi)，X為鹵素(su)基(ji)團。該結(jie)構(gou)(gou)中，金屬B原子(zi)(zi)(zi)位于(yu)立(li)方晶胞(bao)體(ti)(ti)心處，鹵素(su)X原子(zi)(zi)(zi)位于(yu)立(li)方體(ti)(ti)面(mian)心，有(you)機(ji)陽(yang)離子(zi)(zi)(zi)A位于(yu)立(li)方體(ti)(ti)頂點位置。相比于(yu)以共(gong)棱、共(gong)面(mian)形式連接的結(jie)構(gou)(gou)，鈣(gai)鈦礦(kuang)(kuang)結(jie)構(gou)(gou)更加(jia)穩定，有(you)利于(yu)缺陷的擴散遷移.

在(zai)(zai)用于(yu)高效(xiao)(xiao)太陽(yang)能(neng)電(dian)池的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鈣鈦(tai)(tai)礦(kuang)結(jie)構中，A位通(tong)常為HC（NH2）2+（簡稱FA+）或者CH3NH3+（簡稱MA+）等有(you)(you)(you)機陽(yang)離子(zi)，其(qi)(qi)主要作(zuo)用是在(zai)(zai)晶格中維持電(dian)荷平(ping)衡，但(dan)(dan)A離子(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)尺寸大(da)(da)小可以(yi)改變(bian)能(neng)隙的(de)(de)(de)(de)(de)(de)大(da)(da)小。當A離子(zi)半(ban)徑增大(da)(da)，點陣擴張，導(dao)致能(neng)隙相應變(bian)小，吸收邊(bian)發生紅移，從而獲得更大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)短(duan)路(lu)電(dian)流和16%左右(you)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)高電(dian)池轉換效(xiao)(xiao)率(lv)。金屬(shu)離子(zi)B通(tong)常為Pb離子(zi)，Pb具有(you)(you)(you)良(liang)好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)穩定(ding)性(xing)(xing)，但(dan)(dan)由(you)于(yu)有(you)(you)(you)毒性(xing)(xing)，因(yin)此也(ye)常被(bei)Ge，Sn，Ti替代。以(yi)Sn為例，Sn-X-Sn鍵角大(da)(da)于(yu)Pb，能(neng)隙更窄，ASnX3表現出很高的(de)(de)(de)(de)(de)(de)開路(lu)電(dian)壓和良(liang)好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)電(dian)特性(xing)(xing)，電(dian)壓損失很小。但(dan)(dan)在(zai)(zai)同(tong)(tong)一族(zu)元素中，原(yuan)子(zi)序數越(yue)小，元素穩定(ding)性(xing)(xing)越(yue)差。為了解(jie)決穩定(ding)性(xing)(xing)問題，將Pb與Sn按一定(ding)比例結(jie)合(he)，降低(di)Sn帶來的(de)(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)穩定(ding)性(xing)(xing)，同(tong)(tong)時又獲得較高的(de)(de)(de)(de)(de)(de)轉換效(xiao)(xiao)率(lv)。鹵素基(ji)團X通(tong)常為碘(dian)、溴和氯.其(qi)(qi)中帶有(you)(you)(you)碘(dian)基(ji)團的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鈣鈦(tai)(tai)礦(kuang)太陽(yang)能(neng)電(dian)池在(zai)(zai)力(li)學性(xing)(xing)能(neng)上(shang)（如彈性(xing)(xing)、強度等）不(bu)如帶有(you)(you)(you)溴基(ji)團的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)池。電(dian)子(zi)吸收光(guang)譜(pu)由(you)Cl至(zhi)I依(yi)次拓寬，能(neng)隙的(de)(de)(de)(de)(de)(de)紅移也(ye)逐次增加。這(zhe)是由(you)于(yu)隨著原(yuan)子(zi)量的(de)(de)(de)(de)(de)(de)升高，元素電(dian)負(fu)性(xing)(xing)變(bian)弱，與金屬(shu)離子(zi)B成(cheng)鍵中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)共(gong)價作(zuo)用增強。ABX3型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)有(you)(you)(you)機-無機鹵化物在(zai)(zai)不(bu)同(tong)(tong)溫度下具有(you)(you)(you)不(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)構。

鈣(gai)鈦礦(kuang)太陽能電(dian)(dian)(dian)池(chi)的基本構造(zao)通常為襯底材(cai)料/導(dao)電(dian)(dian)(dian)玻(bo)璃（鍍有氧化(hua)物(wu)層(ceng)的基片(pian)玻(bo)璃）/電(dian)(dian)(dian)子傳輸(shu)層(ceng)（二氧化(hua)鈦）/鈣(gai)鈦礦(kuang)吸(xi)收層(ceng)（空穴(xue)傳輸(shu)層(ceng)）/金(jin)屬陰(yin)極。

（a）介觀結構(gou)鈣鈦礦太陽能(neng)電池(chi)；

（b）平面異質結(jie)結(jie)構鈣鈦礦太陽能電(dian)池。

入射光透過玻璃入射以后，能量大于禁帶寬度的光子被吸收，產生激子，隨后激子在鈣鈦礦吸收層分離，變為空穴和電子并分別注入傳輸材料中.其中空穴注入是從鈣鈦礦材料進入到空穴傳輸材料中，電子注入是從鈣鈦礦材料進入到電子傳輸材料（通常為二氧化鈦薄膜）中。基于此，鈣鈦礦有兩類結構：介觀結構和平面異質結結構.介觀結構鈣鈦礦太陽能電池是基于染料敏化太陽能電池（DSSCs）發展起來的，和DSSCs的結構相似：鈣鈦礦結構納米晶附著在介孔結構的氧化物（如TiO2）骨架材料上，空穴傳輸材料沉積在其表面，三者共同作為空穴傳輸層。在這種結構中，介孔氧化物（TiO2）既是骨架材料，也能起到傳輸電子的作用。平面異質結結構將鈣鈦礦結構材料分離出來，夾在空穴傳輸材料和電子傳輸材料中間。激子(zi)在夾(jia)芯的鈣鈦礦材料(liao)中分離(li)，這(zhe)種(zhong)材料(liao)可同(tong)時傳(chuan)輸空(kong)穴和(he)電(dian)子(zi)。

鈣(gai)鈦(tai)礦結構材料的(de)(de)(de)晶(jing)體學取向(xiang)也會影響電池(chi)效率。Docampo等(deng)研(yan)究發(fa)(fa)現，當提高(gao)溶液的(de)(de)(de)浸泡溫度，或者在CH3NH3I和PbCl2混合(he)后進行后續(xu)熱處理，得到的(de)(de)(de)電池(chi)短路電流更大，轉換效率更高(gao)。而這個(ge)過程發(fa)(fa)生的(de)(de)(de)改變就是(shi)鈣(gai)鈦(tai)礦結構的(de)(de)(de)長軸方向(xiang)趨向(xiang)于(yu)與基底平(ping)行，形成各向(xiang)異性(xing)。這種各向(xiang)異性(xing)越(yue)明顯(xian)，電池(chi)性(xing)能越(yue)好，因此(ci)研(yan)究鈣(gai)鈦(tai)礦材料的(de)(de)(de)晶(jing)體學取向(xiang)也是(shi)獲得優異性(xing)能的(de)(de)(de)重點方向(xiang)之一。

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鈣鈦礦太陽能電池原理

在接受(shou)太陽光照射時，鈣鈦礦(kuang)層首(shou)先吸(xi)收光子(zi)(zi)(zi)產生電子(zi)(zi)(zi)-空穴對(dui)。由(you)于鈣鈦礦(kuang)材激(ji)子(zi)(zi)(zi)束縛(fu)能(neng)的(de)差(cha)異，這(zhe)些(xie)(xie)載(zai)流子(zi)(zi)(zi)或者(zhe)(zhe)成為(wei)自(zi)由(you)載(zai)流子(zi)(zi)(zi)，或者(zhe)(zhe)形成激(ji)子(zi)(zi)(zi)。而且(qie)，因(yin)為(wei)這(zhe)些(xie)(xie)鈣鈦礦(kuang)材料往往具有較(jiao)(jiao)低的(de)載(zai)流子(zi)(zi)(zi)復合(he)幾率和較(jiao)(jiao)高(gao)的(de)載(zai)流子(zi)(zi)(zi)遷(qian)移率，所(suo)以載(zai)流子(zi)(zi)(zi)的(de)擴散距離(li)和壽命較(jiao)(jiao)長。

然后，這(zhe)些(xie)未復(fu)(fu)合(he)(he)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)和(he)空(kong)穴(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)分別被電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)傳(chuan)(chuan)輸(shu)(shu)(shu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)和(he)空(kong)穴(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)傳(chuan)(chuan)輸(shu)(shu)(shu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)收集，即電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)從(cong)鈣(gai)(gai)(gai)鈦礦(kuang)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)傳(chuan)(chuan)輸(shu)(shu)(shu)到等(deng)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)傳(chuan)(chuan)輸(shu)(shu)(shu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)，最后被FTO收集；空(kong)穴(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)從(cong)鈣(gai)(gai)(gai)鈦礦(kuang)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)傳(chuan)(chuan)輸(shu)(shu)(shu)到空(kong)穴(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)傳(chuan)(chuan)輸(shu)(shu)(shu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)，最后被金屬(shu)電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)收集，當然，這(zhe)些(xie)過程(cheng)中總不(bu)免伴(ban)隨著一些(xie)使載(zai)流(liu)子(zi)(zi)的(de)(de)損(sun)失(shi)，如(ru)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)傳(chuan)(chuan)輸(shu)(shu)(shu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)與(yu)鈣(gai)(gai)(gai)鈦礦(kuang)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)空(kong)穴(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)的(de)(de)可(ke)逆復(fu)(fu)合(he)(he)、電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)傳(chuan)(chuan)輸(shu)(shu)(shu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)與(yu)空(kong)穴(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)傳(chuan)(chuan)輸(shu)(shu)(shu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)空(kong)穴(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)的(de)(de)復(fu)(fu)合(he)(he)（鈣(gai)(gai)(gai)鈦礦(kuang)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)不(bu)致(zhi)密的(de)(de)情況）、鈣(gai)(gai)(gai)鈦礦(kuang)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)與(yu)空(kong)穴(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)傳(chuan)(chuan)輸(shu)(shu)(shu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)空(kong)穴(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)的(de)(de)復(fu)(fu)合(he)(he)。要(yao)提高電(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)整體性能，這(zhe)些(xie)載(zai)流(liu)子(zi)(zi)的(de)(de)損(sun)失(shi)應該降到最低。

最(zui)后，通過連(lian)接FTO和金屬電(dian)極的電(dian)路而產生光電(dian)流。

鈣鈦礦太陽能電池的發展方向

1、提高電池轉換效率

轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)是衡量太(tai)陽能(neng)電池性能(neng)最(zui)重要(yao)的(de)(de)(de)(de)指標，目前(qian)得到認(ren)證(zheng)的(de)(de)(de)(de)最(zui)高電池轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)已經達到20.1%。限制(zhi)太(tai)陽能(neng)電池轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)提升的(de)(de)(de)(de)瓶頸在于入射光(guang)的(de)(de)(de)(de)大部分能(neng)量被反射或者(zhe)透射損耗掉，而只有與(yu)吸光(guang)層材料(liao)能(neng)隙(xi)相近的(de)(de)(de)(de)光(guang)才能(neng)被吸收轉(zhuan)化為電能(neng)。因此，提高電池轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)的(de)(de)(de)(de)關鍵在于改(gai)善電池的(de)(de)(de)(de)能(neng)帶結構。除(chu)了上文中提到的(de)(de)(de)(de)通過調控鈣鈦礦材料(liao)中的(de)(de)(de)(de)離子基團來調節能(neng)隙(xi)，制(zhi)備出(chu)不同能(neng)隙(xi)的(de)(de)(de)(de)多(duo)結太(tai)陽能(neng)電池也(ye)是該(gai)領域研究的(de)(de)(de)(de)重要(yao)方向之一。

除此之外，減(jian)少電(dian)子和空穴在(zai)傳輸過程中的復(fu)合來提高(gao)傳輸速率(lv)，也是提高(gao)轉換效率(lv)的重要途徑(jing)。

（1）界面調控。由鈣鈦(tai)礦電(dian)池(chi)工作機理可以(yi)看出，鈣鈦(tai)礦太(tai)陽能(neng)電(dian)池(chi)轉換效率的(de)提(ti)升不僅取(qu)決于(yu)光的(de)吸收能(neng)力，還取(qu)決于(yu)載流(liu)子在鈣鈦(tai)礦結構中的(de)傳輸速率。

（2）改(gai)進(jin)鈣鈦(tai)礦(kuang)電(dian)池(chi)的制(zhi)備工藝。鈣鈦(tai)礦(kuang)太陽(yang)能電(dian)池(chi)作為(wei)一(yi)種新(xin)型(xing)的薄(bo)膜(mo)(mo)太陽(yang)能電(dian)池(chi)，其(qi)制(zhi)備工藝與其(qi)他薄(bo)膜(mo)(mo)電(dian)池(chi)類似，例如旋(xuan)轉涂覆法（溶液(ye)旋(xuan)涂法）、真空蒸鍍法（氣相(xiang)法）等。無論何(he)種制(zhi)備方法都(dou)以制(zhi)備高純(chun)度(du)(du)、缺(que)陷少(shao)、高覆蓋率、致密的鈣鈦(tai)礦(kuang)層(ceng)(ceng)薄(bo)膜(mo)(mo)與傳(chuan)(chuan)輸(shu)層(ceng)(ceng)薄(bo)膜(mo)(mo)為(wei)目(mu)的，其(qi)本質在(zai)于改(gai)善不同層(ceng)(ceng)結構(gou)之間的電(dian)學接(jie)觸，降低缺(que)陷密度(du)(du)，減(jian)少(shao)載流(liu)子在(zai)傳(chuan)(chuan)輸(shu)過程(cheng)中(zhong)的損耗，從而(er)實現高的電(dian)池(chi)轉換效(xiao)率。

（3）新材料和新電池結構的嘗試。目前，鈣鈦礦太陽能電池最常用的材料是用CH3NH3PbI3作為光吸收層，用TiO2作為電子傳輸層，用spiro-OmetaD作為固態空穴傳輸層，最初的轉換效率達到了8.3%。為了進一步提高太陽能電池的轉(zhuan)換效率，突(tu)出(chu)鈣(gai)鈦礦材(cai)料(liao)的優勢，人(ren)們(men)開始在太陽(yang)能電(dian)池(chi)的不同結構(gou)(gou)上(shang)使用新材(cai)料(liao)，或者設計新的電(dian)池(chi)結構(gou)(gou)，期望得到突(tu)破。

總體來說(shuo)，無論是新(xin)材料的(de)使用，還是新(xin)器件結(jie)構的(de)改進，各種(zhong)方法(fa)雖(sui)然都(dou)得到了較(jiao)好(hao)的(de)電池轉換效(xiao)率，但相(xiang)比傳統結(jie)構的(de)鈣鈦礦太陽能電池來說(shuo)仍然略低(di)，不過從成本、穩定性(xing)、環境友好(hao)等角度考慮，都(dou)具有很高(gao)的(de)研究價值(zhi)。

2、提高太陽能電池穩定性

有機金屬鹵化(hua)物鈣鈦礦(kuang)材料(liao)在(zai)潮濕(shi)(shi)環(huan)境(jing)和光(guang)照條件下穩(wen)(wen)定(ding)性較差(cha)，容易(yi)發生分(fen)解(jie)(jie)而(er)造成電池(chi)效(xiao)率下降甚(shen)至失效(xiao)，因此除(chu)不(bu)斷提(ti)升轉換效(xiao)率外(wai)，目前(qian)很多(duo)(duo)研究也致力于提(ti)高太陽能(neng)電池(chi)的穩(wen)(wen)定(ding)性。鈣鈦礦(kuang)電池(chi)的穩(wen)(wen)定(ding)性受(shou)到溫度、濕(shi)(shi)度等多(duo)(duo)種(zhong)(zhong)環(huan)境(jing)因素(su)的制(zhi)約。改善(shan)鈣鈦礦(kuang)電池(chi)的穩(wen)(wen)定(ding)性有兩種(zhong)(zhong)思路：一種(zhong)(zhong)是(shi)(shi)提(ti)高鈣鈦礦(kuang)材料(liao)本身的穩(wen)(wen)定(ding)性，另(ling)一種(zhong)(zhong)是(shi)(shi)尋找合適的傳(chuan)輸層材料(liao)使電池(chi)與環(huan)境(jing)隔絕(jue)，抑制(zhi)鈣鈦礦(kuang)材料(liao)的分(fen)解(jie)(jie)。

在(zai)(zai)前(qian)一種方法中(zhong)，Smith等人以一種二維(wei)混合鈣鈦礦(kuang)材(cai)(cai)料（PEA）2（MA）2[Pb3I10]（PEA=C6H5（CH2）2NH3+，MA=CH3NH3+）作為吸收材(cai)(cai)料（結(jie)構如圖4所示），該結(jie)構可(ke)通過旋涂沉積形成且無需高溫退火(huo)。和(he)普通三維(wei)鈣鈦礦(kuang)材(cai)(cai)料（MA）[PbI3]相比，二維(wei)鈣鈦礦(kuang)電池在(zai)(zai)室溫潮濕環境下放置46天而不引(yin)起性(xing)能的(de)(de)明顯下降，具有很好的(de)(de)穩定性(xing)。但目前(qian)可(ke)以替代ABX3中(zhong)各組分(fen)的(de)(de)原子(zi)/原子(zi)團的(de)(de)選擇(ze)很有限，相關研(yan)究(jiu)報道也(ye)比較(jiao)少。近年來更多的(de)(de)研(yan)究(jiu)集中(zhong)在(zai)(zai)后者，即尋找合適的(de)(de)傳輸層材(cai)(cai)料。

（a）兩種晶體結(jie)構(gou)示意圖，其中A和B分別(bie)為三維材料(liao)(liao)（MA）[PbI3]和二維材料(liao)(liao)（PEA）2（MA）2[Pb3I10]的結(jie)構(gou)；

（b）不同薄(bo)膜(mo)在潮濕(shi)環境下經過相同時間后XRD譜，其中(zhong)1，2a，2b分別為(wei)(wei)二維材(cai)(cai)料(liao)薄(bo)膜(mo)、旋涂(tu)質量較差的(de)(de)三(san)維材(cai)(cai)料(liao)薄(bo)膜(mo)和(he)旋涂(tu)質量較好的(de)(de)三(san)維材(cai)(cai)料(liao)薄(bo)膜(mo)在第(di)二種方法中(zhong)，研究者致力(li)于尋找更好的(de)(de)空(kong)(kong)穴(xue)傳(chuan)輸(shu)材(cai)(cai)料(liao)來提高(gao)鈣(gai)鈦礦太陽能電池(chi)的(de)(de)穩(wen)定(ding)性。好的(de)(de)空(kong)(kong)穴(xue)傳(chuan)輸(shu)材(cai)(cai)料(liao)能使激(ji)子(zi)具有(you)更長的(de)(de)壽命(ming)和(he)量子(zi)產率，延長電池(chi)的(de)(de)使用(yong)壽命(ming)。鈣(gai)鈦礦電池(chi)中(zhong)通常使用(yong)的(de)(de)空(kong)(kong)穴(xue)傳(chuan)輸(shu)材(cai)(cai)料(liao)為(wei)(wei)p型(xing)摻雜的(de)(de)spiro-OmetaD。通過改變空(kong)(kong)穴(xue)傳(chuan)輸(shu)材(cai)(cai)料(liao)來提高(gao)材(cai)(cai)料(liao)穩(wen)定(ding)性的(de)(de)思路有(you)兩類(lei)：第(di)一類(lei)是用(yong)其他材(cai)(cai)料(liao)來替換原有(you)的(de)(de)空(kong)(kong)穴(xue)材(cai)(cai)料(liao)；另一類(lei)是向該空(kong)(kong)穴(xue)材(cai)(cai)料(liao)中(zhong)加(jia)入添加(jia)劑(ji)或者替換原有(you)的(de)(de)p型(xing)添加(jia)劑(ji)。

（a）使用四(si)硫富(fu)瓦烯衍生(sheng)物（TTF-1）和環二芴（spiro-OmetaD）作為空穴傳輸材料(liao)的兩(liang)種(zhong)電池的穩定(ding)性對比；

（b）添加PDPPDBTE電(dian)池與原材料電(dian)池的穩定性對(dui)比(bi)；

（c）采(cai)用不(bu)同的(de)摻(chan)雜劑后電池的(de)穩定性；

（d）不(bu)同XTHSI在3個月后的電池效率變化（其(qi)中X代(dai)表金屬元素（如Li，Co，Ir），THIS代(dai)表二(er)（酰(xian)基三氟甲(jia)烷）酰(xian)亞胺）。

在第(di)二類方法(fa)中(zhong)，p型添(tian)加(jia)劑(ji)的(de)引(yin)入可(ke)提(ti)(ti)高(gao)載流(liu)子濃(nong)度，進而(er)減少串聯電(dian)阻及(ji)界面(mian)處的(de)電(dian)荷傳輸阻抗.目前效果較理想的(de)摻雜劑(ji)是(shi)LiTFSI（鋰基二（酰基三(san)氟甲烷）酰亞胺）。但在含氧(yang)環(huan)境中(zhong)，氧(yang)氣會消耗空穴傳輸層和TiO2表面(mian)的(de)鋰離子，使光(guang)電(dian)流(liu)降低、電(dian)阻升高(gao)，降低電(dian)池的(de)穩(wen)定性(xing)，因此尋(xun)找(zhao)更(geng)好(hao)的(de)添(tian)加(jia)劑(ji)不僅可(ke)以起到提(ti)(ti)高(gao)效率(lv)的(de)效果，還可(ke)以進一步提(ti)(ti)高(gao)穩(wen)定性(xing).利用其他元(yuan)素(su)來替換金屬Li是(shi)目前研究的(de)熱點之一。

3、實現鈣鈦礦太陽能電池的環境友好化

由于含(han)鉛(qian)(qian)材(cai)料對環境(jing)的(de)(de)不(bu)友好性，研究(jiu)者們在努(nu)力實現無(wu)鉛(qian)(qian)化(hua)，但(dan)相應會帶來電池(chi)轉換(huan)效率的(de)(de)降低.最直接(jie)的(de)(de)方法(fa)是利用同族元素（如Sn）來代(dai)替Pb元素。在MAXI3材(cai)料中(zhong)，CH3NH3SnI3的(de)(de)能隙僅為(wei)1.3eV，遠低于CH3NH3PbI3的(de)(de)1.55eV，可以使(shi)吸(xi)收(shou)光(guang)譜發生紅移(yi)。采用CsSnI3作(zuo)為(wei)光(guang)吸(xi)收(shou)材(cai)料，并(bing)加入SnF2作(zuo)為(wei)添加劑(ji)也以減少(shao)缺陷密度，提高載流子濃度，進而(er)提高電池(chi)效率。這兩種替代(dai)的(de)(de)吸(xi)收(shou)材(cai)料的(de)(de)吸(xi)收(shou)光(guang)譜發生明顯紅移(yi)，可以吸(xi)收(shou)更(geng)寬波段的(de)(de)入射(she)光(guang)。

從(cong)解決環境(jing)污(wu)染但又不犧牲電(dian)(dian)池轉(zhuan)換效率的(de)角度(du)出發，Chen等人(ren)提(ti)出了(le)(le)另一種思路，即回收汽車(che)電(dian)(dian)池來提(ti)供鉛源。由于汽車(che)電(dian)(dian)池中(zhong)的(de)鉛源具有相同的(de)材(cai)料特(te)性(xing)(xing)(xing)（如晶體(ti)結構、形貌、吸光(guang)性(xing)(xing)(xing)和光(guang)致發電(dian)(dian)性(xing)(xing)(xing)能）和光(guang)電(dian)(dian)性(xing)(xing)(xing)能，既提(ti)供了(le)(le)鈣(gai)鈦(tai)礦材(cai)料制(zhi)備所需的(de)鉛源，又解決了(le)(le)廢(fei)舊含鉛電(dian)(dian)池無法妥善處理(li)的(de)問(wen)題(ti)，因(yin)此具有一定的(de)實際應用價(jia)值。

結論

鈣鈦礦太陽能電池也(ye)存在一(yi)些(xie)亟需突(tu)破的(de)(de)(de)(de)(de)問題(ti)。首先，人們大多專注于從不同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)角(jiao)度改(gai)進(jin)材料和制備方法來(lai)提(ti)(ti)高電(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)(de)轉換效(xiao)(xiao)率，但始終沒(mei)有(you)建立起完備的(de)(de)(de)(de)(de)理論(lun)模(mo)型來(lai)解釋電(dian)池(chi)轉換效(xiao)(xiao)率提(ti)(ti)高的(de)(de)(de)(de)(de)原因(yin)，難以(yi)得到一(yi)個準確可(ke)靠的(de)(de)(de)(de)(de)轉換效(xiao)(xiao)率的(de)(de)(de)(de)(de)理論(lun)上限。其次(ci)，如(ru)何(he)兼顧提(ti)(ti)高穩定性(xing)和轉換效(xiao)(xiao)率是(shi)目(mu)前的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)個難點。鈣鈦(tai)礦太陽能電(dian)池(chi)對(dui)水蒸氣(qi)和氧氣(qi)非常敏感，盡(jin)管目(mu)前已經(jing)出現穩定性(xing)長達4個月的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)池(chi)，但效(xiao)(xiao)率僅(jin)有(you)12%，相比傳統晶硅電(dian)池(chi)（壽(shou)命可(ke)達25年），依(yi)然有(you)較(jiao)大差距(ju)。再(zai)次(ci)，如(ru)何(he)實現鈣鈦(tai)礦太陽能電(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)(de)大面積(ji)連(lian)續制備也(ye)是(shi)現在面臨(lin)的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)個重要問題(ti)。在實驗室(shi)所制得的(de)(de)(de)(de)(de)器件的(de)(de)(de)(de)(de)尺寸僅(jin)有(you)幾(ji)厘米大小，與滿足產(chan)業化需求還有(you)距(ju)離。最后，如(ru)何(he)避免(mian)使用鉛等對(dui)環境不友(you)好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)重金屬同(tong)時(shi)兼顧高的(de)(de)(de)(de)(de)轉換效(xiao)(xiao)率也(ye)是(shi)目(mu)前面臨(lin)的(de)(de)(de)(de)(de)重大挑戰。

目前用(yong)其(qi)他(ta)元素(su)替換(huan)(huan)鉛通(tong)(tong)常(chang)(chang)要(yao)以(yi)降(jiang)低電池(chi)效(xiao)率為代價，尋(xun)找更合(he)理的(de)方式解決含鉛帶來的(de)環境問(wen)題，使(shi)鈣(gai)鈦(tai)礦太(tai)(tai)陽(yang)能電池(chi)可回(hui)收、可再生，對實(shi)際產業化同樣重要(yao)。基于(yu)此，通(tong)(tong)過改善鈣(gai)鈦(tai)礦層與其(qi)他(ta)傳(chuan)導層間的(de)界面性能，尋(xun)找更高效(xiao)的(de)電子/空穴傳(chuan)輸材料(liao)，電池(chi)轉換(huan)(huan)效(xiao)率仍(reng)有非常(chang)(chang)大的(de)提升(sheng)空間，同時也可以(yi)使(shi)太(tai)(tai)陽(yang)能電池(chi)的(de)穩定性得(de)到改善。實(shi)現鈣(gai)鈦(tai)礦材料(liao)的(de)無鉛化，也成為鈣(gai)鈦(tai)礦太(tai)(tai)陽(yang)能電池(chi)最終(zhong)能否被(bei)公眾接受、實(shi)現廣泛應用(yong)的(de)關(guan)鍵因素(su)之一(yi)。