鈣鈦礦太陽(yáng)能電池鈣鈦礦太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池晶體結(jié)構(gòu)

鈣鈦礦晶體為ABX3 結(jié)構(gòu)，一般為立方體或八面體結(jié)構(gòu)。在鈣鈦礦晶體中，B離子位于立方晶胞的中心，被6個(gè)X離子包圍成配位立方八面體，配位數(shù)為6；A離子位于立方晶胞的角頂，被12個(gè)X離子包圍成配位八面體，配位數(shù)為12，如圖 所示，其中，A離子和X離子半徑相近，共同構(gòu)成立方密堆積。

鈣鈦礦太陽(yáng)電池中，A離子通常指的是有機(jī)陽(yáng)離子，最常用的為CH₃NH₃

(RA = 0.18 nm)，其他諸如NH₂CH=NH₂ (RA = 0.23 nm)，

CH₃CH₂NH₃ (RA = 0.19-0.22 nm) 也有一定的應(yīng)用。B離子指的是金屬陽(yáng)離子，主要有Pb₂ (RB = 0.119 nm)和Sn2 (RB = 0.110 nm)。X離子為鹵族陰離子, 即 I^? (RX = 0.220 nm)、Cl^?(RX = 0.181 nm)和Br^?(RX = 0.196 nm)。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池電池結(jié)構(gòu)介紹

如圖a所示，介孔結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽(yáng)電池為：FTO導(dǎo)電玻璃、TiO2 致密層、TiO2 介孔層、鈣鈦礦層、HTM層、金屬電極。

在此基礎(chǔ)上，Snaith等把多孔支架層n型半導(dǎo)體TiO₂ 換成絕緣材料Al₂O_3，形成如圖b所示的一種介觀超結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)型太陽(yáng)電池。

更進(jìn)一步地，去掉絕緣的支架層，如圖c所示，制備出具有類似于p-i-n結(jié)構(gòu)平面型異質(zhì)結(jié)電池。

Gratzel等還在介孔結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上將HTM層直接去掉，形成CH₃NH₃PbI₃/TiO₂異質(zhì)結(jié)， 制備出一種無(wú)HTM層結(jié)構(gòu)，如圖d所示。

此外, Malinkiewicz等人把鈣鈦礦材料作為吸光層用于有機(jī)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)中，如圖e。

太陽(yáng)能電池是一種通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)反應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。1839年, 法國(guó)物理學(xué)家Becquerel發(fā)現(xiàn)了光生伏特效應(yīng)，1876年，英國(guó)科學(xué)家Adams等人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)太陽(yáng)光照射硒半導(dǎo)體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電流。這種光電效應(yīng)太陽(yáng)能電池的工作原理是，當(dāng)太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體 p-n 結(jié)區(qū)上，會(huì)激發(fā)形成空穴-電子對(duì)（激子)在p-n結(jié)電場(chǎng)的作用下，激子首先被分離成為電子與空穴并分別向陰極和陽(yáng)極輸運(yùn)。光生空穴流向p區(qū)，光生電子流向n區(qū)，接通電路就形成電流。

Fritts在1883年制備成功第一塊硒上覆薄金的半導(dǎo)體/金屬結(jié)太陽(yáng)能電池, 其效率僅約 1%。1954 年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的 Pearson，F(xiàn)uller和Chapin等人研制出了第一塊晶體硅太陽(yáng)能電池，獲得4.5%的轉(zhuǎn)換效率, 開(kāi)啟了利用太陽(yáng)能發(fā)電的新紀(jì)元。

此后, 太陽(yáng)能技術(shù)發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一代太陽(yáng)能電池主要指單晶硅和多晶硅太陽(yáng)能電池，其在實(shí)驗(yàn)室的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)分別達(dá)到25%和20.4%；第二代太陽(yáng)能電池主要包括非晶硅薄膜電池和多晶硅薄膜電池。第三代太陽(yáng)能電池主要指具有高轉(zhuǎn)換效率的一些新概念電池, 如染料敏化電池、量子點(diǎn)電池以及有機(jī)太陽(yáng)能電池等。

在接受太陽(yáng)光照射時(shí)，鈣鈦礦層首先吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。由于鈣鈦礦材激子束縛能的差異，這些載流子或者成為自由載流子，或者形成激子。而且，因?yàn)檫@些鈣鈦礦材料往往具有較低的載流子復(fù)合幾率和較高的載流子遷移率，所以載流子的擴(kuò)散距離和壽命較長(zhǎng)。

然后，這些未復(fù)合的電子和空穴分別被電子傳輸層和空穴傳輸層收集，即電子從鈣鈦礦層傳輸?shù)降入娮觽鬏攲?，最后被ITO收集；空穴從鈣鈦礦層傳輸?shù)娇昭▊鬏攲?，最后被金屬電極收集，當(dāng)然，這些過(guò)程中總不免伴隨著一些使載流子的損失，如電子傳輸層的電子與鈣鈦礦層空穴的可逆復(fù)合、電子傳輸層的電子與空穴傳輸層的空穴的復(fù)合（鈣鈦礦層不致密的情況）、鈣鈦礦層的電子與空穴傳輸層的空穴的復(fù)合。要提高電池的整體性能，這些載流子的損失應(yīng)該降到最低。

最后，通過(guò)連接FTO和金屬電極的電路而產(chǎn)生光電流。

鈣鈦礦太陽(yáng)電池發(fā)展現(xiàn)狀良好，但仍有若干關(guān)鍵因素可能制約鈣鈦礦太陽(yáng)電池的發(fā)展：

1、電池的穩(wěn)定性問(wèn)題。

2、吸收層中含有可溶性重金屬Pb

3、現(xiàn)今鈣鈦礦應(yīng)用最廣的為旋涂法，但是旋涂法難于沉積大面積、連續(xù)的鈣鈦礦薄膜，故還需對(duì)其他方法進(jìn)行改進(jìn)，以期能制備高效的大面積鈣鈦礦太陽(yáng)電池, 便于以后的商業(yè)化生產(chǎn)。

4、鈣鈦礦太陽(yáng)電池的理論研究還有待增強(qiáng)。

鈣鈦礦作為一種人工合成材料，在 2009 年首次被嘗試應(yīng)用于光伏發(fā)電領(lǐng)域后，因?yàn)樾阅軆?yōu)異、成本低廉、商業(yè)價(jià)值巨大，從此大放異彩。近年，全球頂尖科研機(jī)構(gòu)和大型跨國(guó)公司，如牛津大學(xué)、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院、日本松下、夏普、東芝等都投入了大量人力物力，力爭(zhēng)早日實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

2017 年 2 月，纖納光電以 15.2%的轉(zhuǎn)換效率，首次打破此前長(zhǎng)期由日本保持的鈣鈦礦小組件的世界效率紀(jì)錄。此后，分別在當(dāng)年 5 月和 12 月，以 16%和 17.4%的轉(zhuǎn)換效率實(shí)現(xiàn)了一年三破世界紀(jì)錄的佳績(jī)。這一次，他們又將鈣鈦礦小組件轉(zhuǎn)換效率提升至 17.9%，穩(wěn)態(tài)輸出效率達(dá) 17.3%。該結(jié)果再一次證明了中國(guó)科學(xué)家在鈣鈦礦領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

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此整套系統(tǒng)可以應(yīng)用在有機(jī)發(fā)光及鈣鈦礦太陽(yáng)能電池行業(yè)，其中的設(shè)備也可以單獨(dú)使用用于其它無(wú)水無(wú)氧實(shí)驗(yàn)，如鋰電池，有機(jī)化學(xué)，材料處理等。 實(shí)驗(yàn)儀器可用于材料科學(xué)，材料工程，物理，化學(xué)等多學(xué)科平臺(tái)共享使用。

手套箱水氧＜1ppm 集成風(fēng)機(jī)流量＞90m3/h 過(guò)濾器：規(guī)格 0.2 微米 干泵可手動(dòng)或通過(guò)PLC啟動(dòng)，流量≥12m3/h 冷阱裝置可以達(dá)到-100℃ 旋涂?jī)x分辨率小于0.5RPM，重復(fù)性誤差要小于±0.5RPM 蒸發(fā)系統(tǒng)極抽氣時(shí)間：大氣壓~5*10-4Pa小于30min（干燥氮?dú)獬淙牒螅?蒸發(fā)：電阻式蒸發(fā)電極（4對(duì)）配備4套數(shù)顯蒸發(fā)電源 真空系統(tǒng)是由分子泵機(jī)械泵 分子泵分子泵（抽速大于620L）； 膜厚儀為石英晶振，配原裝水冷探頭二套。