隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,人們對(duì)資源的需求量不斷增加。太陽(yáng)能具有環(huán)保、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，是最有研究和開(kāi)發(fā)潛力的能源之一。
太陽(yáng)能電池的發(fā)展到目前為止經(jīng)歷了三代。
（1）第一代光伏電池以硅基太陽(yáng)能電池為代表，包含單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池和非晶硅太陽(yáng)能電池。
這類(lèi)電池發(fā)展較成熟，已在商業(yè)和民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，占據(jù)全球光伏市場(chǎng)的90%。
這類(lèi)太陽(yáng)能電池的效率高達(dá)26.7%，但因制作工藝復(fù)雜，制作過(guò)程涉及嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題及轉(zhuǎn)化率提升瓶頸等，逐漸退出歷史舞臺(tái)。
（2）第二代光伏電池為多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池，擁有制作成本低、光電轉(zhuǎn)換效率較高、易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
但制作原料中含有劇毒金屬，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，因而無(wú)法成為硅基太陽(yáng)能電池的理想替代品。
（3）第三代太陽(yáng)能電池包含染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSCs）和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，這類(lèi)電池具有原料豐富、成本低等優(yōu)點(diǎn)，有極大的發(fā)展空間。
其中，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池作為一類(lèi)新型光伏電池，其極限光電轉(zhuǎn)化效率理論計(jì)算值可達(dá)30.5%。
自從2009年首次研制，其光電轉(zhuǎn)化效率由3.8%迅速提高到28%，已逐步向硅基太陽(yáng)能電池的最高效率靠攏。
硅基太陽(yáng)能電池可正常工作25年，而鈣鈦礦太陽(yáng)能電池處于光、水、熱等不同自然環(huán)境時(shí)，性能及穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響，無(wú)法達(dá)到商業(yè)使用標(biāo)準(zhǔn)。因此，迫切需要研究有效的策略來(lái)解決上述問(wèn)題。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)
鈣鈦礦最初是一種化學(xué)組成為鈦酸鈣（CaTiO3）的礦物的名稱(chēng)。近年來(lái)，鈣鈦礦材料成為光電領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)，在材料科學(xué)、地球科學(xué)、物理學(xué)等眾多領(lǐng)域都可以見(jiàn)到它的身影，已經(jīng)用于探測(cè)器、發(fā)光二極管、太陽(yáng)能電池等。
鈣鈦礦材料的吸收帶與太陽(yáng)光譜匹配度較高，可以作為光伏材料。鈣鈦礦的一般化學(xué)結(jié)構(gòu)為ABX3，如圖1所示。
其中，A為大半徑陽(yáng)離子，一般指NH=CHNH3+（FA）、CH3NH3+（MA）等有機(jī)胺離子和Cs+、Rb+等無(wú)機(jī)陽(yáng)離子；B為小半徑陽(yáng)離子，一般指Pb2+和Sn2+；X為鹵素離子，A和B陽(yáng)離子分別與X陰離子進(jìn)行十二配位、六配位，從而形成立方八面體[AX12]和八面體[BX6]，最終構(gòu)成較為規(guī)范的立方體晶體結(jié)構(gòu)。
正是這種ABX3結(jié)構(gòu)，決定了鈣鈦礦擁有較好的異構(gòu)化性、電催化性、吸光性等性質(zhì)，從而成為一種新型的太陽(yáng)能電池材料。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池由透明導(dǎo)電玻璃電極層、電子傳輸層、鈣鈦礦吸光層層、空穴傳輸層和對(duì)電極五部分構(gòu)成，如圖2所示。
圖2?鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)
（1）在太陽(yáng)光照射下吸收能量，大于吸光層禁帶寬度能量的光子被吸光層吸收，價(jià)帶電子受激發(fā)至導(dǎo)帶中，于價(jià)帶中留下空穴。
（2）當(dāng)吸光層導(dǎo)帶能級(jí)高于電子傳輸層的導(dǎo)帶能級(jí)時(shí)，吸光層中導(dǎo)帶電子注入電子傳輸層的導(dǎo)帶中；當(dāng)吸光層的價(jià)帶能級(jí)低于空穴傳輸層的價(jià)帶能級(jí)時(shí)，電子運(yùn)輸至陽(yáng)極和外電路，吸光層中的空穴注入空穴傳輸層。
（3）空穴運(yùn)輸?shù)疥帢O和外電路，從而構(gòu)成完整回路，如圖3所示。
鈣鈦礦薄膜是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的核心部分，其穩(wěn)定性直接影響其商業(yè)化進(jìn)程，這也為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的未來(lái)研究指明了方向—需要致力于提高鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)定性。
鈣鈦礦材料在外界溫度或壓力改變后可能發(fā)生一定的畸變，某些畸變后的異型結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定且不具備吸光能力。常用容忍因子t判斷鈣鈦礦的穩(wěn)定性，其計(jì)算式如下：
式中：RA、RB和RX分別為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)通式中A、B和X三種離子的半徑。研究表明，當(dāng)t值介于0.9～1.0時(shí)，可形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的鈣鈦礦，且t值越接近1越穩(wěn)定；若t值偏離理論標(biāo)準(zhǔn)值，則無(wú)法形成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，將變成四方向或正交結(jié)構(gòu)。
根據(jù)容忍因子理論，可以尋找或合成更加穩(wěn)定的鈣鈦礦材料，應(yīng)用于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。
影響鈣鈦礦太陽(yáng)能電池穩(wěn)定性的內(nèi)因是鈣鈦礦材料的自身穩(wěn)定性，而導(dǎo)致其不穩(wěn)定的主要因素為外界條件，如溫度、濕度、光照等，以下將對(duì)影響鈣鈦礦太陽(yáng)能電池穩(wěn)定性的外界因素進(jìn)行深度剖析。
空氣中以氣態(tài)形式存在的水分會(huì)對(duì)鈣鈦礦產(chǎn)生雙重影響，因?yàn)榧装烦煞值奈鼭裥?，空氣濕度達(dá)到一定條件時(shí)，會(huì)減少缺陷度密度，正向促進(jìn)結(jié)晶質(zhì)量及生長(zhǎng)，增強(qiáng)薄膜的熒光壽命及強(qiáng)度，從而提高開(kāi)路電壓和光伏性能。
若在一定濕度的空氣中長(zhǎng)期暴露，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性會(huì)被破壞。當(dāng)處于水分和氧氣的雙重條件下時(shí)，鈣鈦礦薄膜會(huì)逐步分解，具體分解過(guò)程如下：
首先，發(fā)生水解反應(yīng)生成CH3NH3I和黃色的PbI2；CH3NH3I會(huì)繼續(xù)進(jìn)行可逆反應(yīng)，進(jìn)而分解為CH3NH2和HI；HI既發(fā)生氧化還原反應(yīng)，又可以發(fā)生分解反應(yīng)。
針對(duì)水分和氧氣的影響，可考慮改進(jìn)封裝技術(shù)，減少鈣鈦礦薄膜與水分和氧氣的接觸。
溫度是影響鈣鈦礦材料穩(wěn)定性的重要因素。相關(guān)研究表明，溫度升高會(huì)使鈣鈦礦材料分解。
根據(jù)飛行時(shí)間-二次離子質(zhì)譜結(jié)果，在高溫條件下，鈣鈦礦薄膜中的碘離子和甲胺離子通過(guò)電子傳輸層（PCBM）擴(kuò)散至銀電極表面并富集。
電極界面內(nèi)碘化銀的形成，為進(jìn)一步的碘離子擴(kuò)散提供了驅(qū)動(dòng)力，導(dǎo)致鈣鈦礦層的分解加劇。
離子脫離的過(guò)程主要發(fā)生在鈣鈦礦晶界，在晶粒內(nèi)部的離子遷移作用下，薄膜中晶界重構(gòu)并伴隨“熔融”現(xiàn)象。大量的離子缺失導(dǎo)致晶界處形成很厚的碘化鉛間隙，從而阻礙載流子的擴(kuò)散與傳遞。
除此之外，當(dāng)處于高溫條件（56℃以上）時(shí)，四方晶系MAPbI3會(huì)向立方晶系發(fā)生轉(zhuǎn)變。由于單晶和多晶狀態(tài)下的MAPbI3具有較低的熱導(dǎo)率，若不能及時(shí)移除光照產(chǎn)生的熱量，將會(huì)影響器件的壽命。
紫外光對(duì)鈣鈦礦材料具有雙重作用。紫外光既能影響鈣鈦礦吸光層材料分解，也能促進(jìn)鈣鈦礦材料內(nèi)部缺陷的修復(fù)。
傳統(tǒng)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池使用ITO、FTO導(dǎo)電玻璃作為電極，電池工作時(shí)太陽(yáng)光照射到光伏板上。
理想情況是紫外光被導(dǎo)電玻璃吸收，但事實(shí)并非如此，仍有部分近紫外光照射到達(dá)鈣鈦礦吸光層。
這樣一來(lái)，會(huì)破壞鈣鈦礦吸光層材料的穩(wěn)定性，從而縮短鈣鈦礦太陽(yáng)能電池壽命。此時(shí)可考慮添加穩(wěn)定性高、安全、環(huán)境友好型紫外線(xiàn)吸收劑，從而避免紫外線(xiàn)對(duì)鈣鈦礦電池造成的影響。
紫外光照射下的具體反應(yīng)過(guò)程如下：
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池對(duì)環(huán)境的影響
鈣鈦礦電池材料含有少量有毒元素Pb，使用鈣鈦礦太陽(yáng)能電池時(shí)，鉛很有可能滲出。
高毒性鉛在生態(tài)系統(tǒng)中難以降解，若鉛進(jìn)入土壤或地下水，將對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不可預(yù)估的影響。
故尋找鉛的優(yōu)良替代品或利用技術(shù)手段減少鉛用量刻不容緩，而Sn、Ge和ⅡA族元素等可以作為Pb的優(yōu)秀替代品。
目前，可通過(guò)研發(fā)少鉛或無(wú)鉛型鈣鈦礦薄膜、回收利用有毒金屬等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的環(huán)境友好化。
文章對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)和工作原理、影響因素、研究進(jìn)展等進(jìn)行介紹。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是當(dāng)今太陽(yáng)能電池中的研究熱點(diǎn)，展現(xiàn)了良好的發(fā)展前景。但是實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好化，延長(zhǎng)使用壽命，完善電池性能評(píng)價(jià)體系，提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)仍是未來(lái)科研人員需解決的難題，距離真正實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦太陽(yáng)電池商業(yè)化生產(chǎn)，還有很長(zhǎng)一段路要走。
來(lái)源：鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究進(jìn)展與發(fā)展現(xiàn)狀
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