鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)其核心是具有鈣鈦礦晶型（ABX3）的有機(jī)金屬鹵化物吸光材料。在這種鈣鈦礦ABX3結(jié)構(gòu)中，A為甲胺基（CH3NH3），B為金屬鉛原子，X為氯、溴、碘等鹵素原子。目前在高效鈣鈦礦型太陽能電池中，最常見的鈣鈦礦材料是碘化鉛甲胺（CH3NH3PbI3），它的帶隙約為1.5 eV，消光系數(shù)高，幾百納米厚薄膜就可以充分吸收800 nm以下的太陽光。而且，這種材料制備簡(jiǎn)單，將含有PbI2和CH3NH3I的溶液，在常溫下通過旋涂即可獲得均勻薄膜。上述特性使得鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)CH3NH3PbI3不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)可見光和部分近紅外光的吸收，而且所產(chǎn)生的光生載流子不易復(fù)合，能量損失小，這是鈣鈦礦型太陽能電池能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的根本原因。

 

由于相對(duì)復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)A、B、X三個(gè)位點(diǎn)上的原子（或基團(tuán)）半徑有著較高的要求，鈣鈦礦吸光材料的組成比較固定。最近一些研究組用甲咪基取代A位上甲胺基，使帶隙變窄（1.48 eV），獲得了更高的光電流。對(duì)于B位上的Pb原子，當(dāng)Sn原子替換Pb原子后，目前尚未見有光電響應(yīng)的報(bào)道。而X位上的原子，目前可以選用氯、溴、碘等鹵素原子，但只有以碘為主的鈣鈦礦有合適的帶隙，可以獲得高轉(zhuǎn)換效率。除了CH3NH3PbI之外，CH3NHPbI3-xClx也是目前研究較多的材料。在保持能級(jí)結(jié)構(gòu)基本不變的情況下，少量氯元素的摻雜可以提高電子遷移率，顯示出了更加優(yōu)異的光電性能。但是，與硅基相比，目前常用的鈣鈦礦吸光材料存在著光響應(yīng)范圍不夠?qū)?、?duì)水和一些溶劑敏感、含重金屬鉛等不足。因此，尋找?guī)陡⒒瘜W(xué)穩(wěn)定性更好、對(duì)環(huán)境更友好的鈣鈦礦材料是非常有意義的。

 

鈣鈦礦薄膜太陽能電池的發(fā)展起源于敏化太陽能電池，且基于敏化太陽能電池、有機(jī)太陽能電池等在過去二十年里積累的相關(guān)技術(shù)，才得以飛速發(fā)展。最早的鈣鈦礦太陽能電池是采用CH3NH3PbI3敏化TiO2光陽極和液態(tài)I3-/I-電解質(zhì)，效率只有3.8%（通過優(yōu)化達(dá)到6.5%）。但由于CH3NH3PbI3在液態(tài)I3-/I-電解質(zhì)中不穩(wěn)定，使得電池穩(wěn)定性差，目前這方面的研究非常少。采用固態(tài)空穴傳輸材料（HTM）（如spiro-OMeTAD, P3HT等）替換液態(tài)I3-/I-電解質(zhì)，電池效率得到了極大提高，達(dá)到16%，已經(jīng)超過染料敏化太陽能電池的最高效率（13%），并具有良好的穩(wěn)定性。

 

在此基礎(chǔ)上，H. Snaith等把多孔支架層n型半導(dǎo)體TiO2換成絕緣材料Al2O3或者ZrO2，并用空穴傳輸材料組裝成薄膜電池，同樣也可以實(shí)現(xiàn)高效率（已報(bào)道的最高效率為15.9%）。這一結(jié)果表明這種鈣鈦礦材料CH3NH3PbI3本身具有良好的電子傳導(dǎo)能力?；诮^緣材料支架層的鈣鈦礦型太陽能電池在原理上已經(jīng)超越了傳統(tǒng)的敏化概念，而是一種介觀超結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池。更進(jìn)一步地，去掉絕緣的支架層，基于均勻的高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜，制備出的平面型異質(zhì)結(jié)電池也可以獲得高效率（已報(bào)道的最高效率為15.7%）。另一方面，在沒有空穴傳輸材料的情況下，鈣鈦礦與多孔TiO2形成異質(zhì)結(jié)電池，電池效率也已經(jīng)達(dá)到10.5%。在這種類似于膠體量子點(diǎn)太陽能電池的結(jié)構(gòu)里，鈣鈦礦本身起到了吸光和空穴傳輸?shù)碾p重作用。此外，把鈣鈦礦材料作為吸光層用于有機(jī)太陽能電池的結(jié)構(gòu)中，用富勒烯衍生物PCBM作為電子傳輸層，PEDOT：PSS作為空穴傳輸層，可以實(shí)現(xiàn)12%以上的效率，超過了傳統(tǒng)有機(jī)/聚合物太陽能電池的最好結(jié)果。值得一提的是，這種基于有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦型太陽能電池可以實(shí)現(xiàn)柔性化和卷對(duì)卷式的規(guī)?；a(chǎn)，目前這種柔性鈣鈦礦電池已經(jīng)達(dá)到了9.2%的高效率

 

鈣鈦礦材料在這些結(jié)構(gòu)迥異的太陽能電池中，都能夠?qū)崿F(xiàn)10%以上的高效率，在未來的實(shí)際應(yīng)用中，也許同樣會(huì)出現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)并存競(jìng)爭(zhēng)的局面。同時(shí)，對(duì)材料的基本性質(zhì)和電池工作原理的深入研究和理解也是十分重要的，這不僅有助于進(jìn)一步提高鈣鈦礦型電池性能，也能為人們尋找更簡(jiǎn)單或更高效的新結(jié)構(gòu)提供思路。