太陽能電池是一種利用光生伏特效應(yīng)使得太陽能轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體器件。
在數(shù)十年間，太陽能電池的發(fā)展已進入到了第三代，種類也得到了極大的豐富。
其中，第一代電池主要為晶硅太陽能電池，是目前技術(shù)最為成熟、商業(yè)化最為成功的太陽能電池，但仍存在著制備工藝復(fù)雜、對硅料純度要求較高等問題；
第二代為化學(xué)薄膜太陽能電池，主要以CdTe、GaAs、CIGS為代表。與晶硅電池相比，這類電池所需材料少，成本低而且轉(zhuǎn)化效率高，已經(jīng)逐步進入到商業(yè)化的進程中，但其活性層具有部分稀有元素與重金屬元素，價格昂貴，難以應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)；
第三代為新型薄膜太陽能電池，如鈣鈦礦太陽能電池（PSCs），染料敏化太陽能電池（DSSC），有機太陽能電池（OSC）等。
它們具有生產(chǎn)工藝簡單、原料儲量豐富、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢，在效率提升和降本等方面均具備較大潛力，受到全球?qū)W術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。
圖表1 太陽能電池的分類與認證最高效率
鈣鈦礦物質(zhì)的化學(xué)通式為ABX3，正八面體結(jié)構(gòu)。
在太陽能電池的應(yīng)用中，A為單價陽離子，通常為甲胺陽離子(MA+，CH3NH3+)、Cs+或甲脒陽離子(FA+，(NH2)2CH+)，X為鹵素陰離子(Cl-、Br-、I-)，B包括Pb2+、Sn2+、Bi2+等。
圖表2?鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)
晶硅實驗室效率陷入瓶頸，鈣鈦礦實驗室效率十余年間超越晶硅。
晶硅電池效率在1970年代達到了13%、14%，2017年后停留在26.7%。
而鈣鈦礦最早在2009年由日本科學(xué)家首次用于發(fā)電，轉(zhuǎn)換效率僅3.8%。
2012年，牛津大學(xué)的HenrySnaith發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦可以用作太陽能電池的主要成分，而不僅僅是用作敏化劑，由此太陽能光伏研究領(lǐng)域正式開始使用合成鈣鈦礦。
經(jīng)過10余年發(fā)展，單結(jié)鈣鈦礦電池的實驗室效率已達25.6%，接近由隆基22年11月創(chuàng)造的HJT晶硅電池26.8%的實驗室效率紀錄。單結(jié)鈣鈦礦電池理論轉(zhuǎn)化效率可達33%，高于晶硅電池極限效率29.4%。
圖表3?晶硅與鈣鈦礦電池效率
主流結(jié)構(gòu)分為介孔、正式平面、反式平面
鈣鈦礦電池由多個功能層堆疊形成，其結(jié)構(gòu)大致可分為三類：介孔結(jié)構(gòu)、正式平面結(jié)構(gòu)和反式平面結(jié)構(gòu)，其中：
1）介孔結(jié)構(gòu)是最早誕生的鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)，其主要特點在于采用二氧化鈦作為介孔骨架，實現(xiàn)電子的轉(zhuǎn)移運輸，具有成膜均勻光滑、光電轉(zhuǎn)換效果好等優(yōu)點。
然而，介孔結(jié)構(gòu)往往需要進行高溫?zé)Y(jié)，不利于大規(guī)模量產(chǎn)和柔性器件的制備；
2）正式平面結(jié)構(gòu)與介孔結(jié)構(gòu)較為類似，但不存在介孔電子傳輸層，減少了高溫?zé)Y(jié)二氧化鈦的過程，制備工藝更為簡單，且相較介孔結(jié)構(gòu)能獲得更高的開路電壓。但由于缺失介孔層，正式平面結(jié)構(gòu)的電池對空間電場的分散能力更弱，因此轉(zhuǎn)化效率略遜色于介孔結(jié)構(gòu)。
另外，正式平面結(jié)構(gòu)往往使用濕度、熱穩(wěn)定性較差的有機空穴傳輸層，影響了電池的穩(wěn)定性。
3）反式平面結(jié)構(gòu)的基本組成依次為TCO玻璃、空穴傳輸層、鈣鈦礦層、電子傳輸層和金屬電極，其電荷的流向與正式結(jié)構(gòu)不同，空穴流向?qū)щ姴ＡА㈦娮觿t流向金屬對電極。
反式結(jié)構(gòu)還具有制備工藝簡單、成膜溫度更低、與疊層電池器件結(jié)構(gòu)的兼容性好等優(yōu)點，是鈣鈦礦電池廠商產(chǎn)業(yè)化過程中采用的主流結(jié)構(gòu)，但光電轉(zhuǎn)換效率相較正式結(jié)構(gòu)仍具有與一定差距。
圖表5?鈣鈦礦結(jié)構(gòu)示意圖
產(chǎn)業(yè)上常用的TCO導(dǎo)電玻璃分為ITO、FTO和AZO玻璃三類，分別采用In2O3、SnO2和ZnO作為靶材。
ITO具有電導(dǎo)率高、透過率高等優(yōu)點，曾廣泛應(yīng)用于光伏領(lǐng)域，但產(chǎn)業(yè)對光吸收性能要求趨嚴，使得TCO玻璃必須具備增強光散射的能力，而ITO很難實現(xiàn)這一要求，因此逐漸被FTO所取代。
FTO的導(dǎo)電性能與ITO相比稍顯遜色，但具有成本低、膜層硬、光學(xué)性能適宜等優(yōu)點，目前是應(yīng)用于光伏玻璃領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。
AZO的光電性能與ITO相近，且AZO原材料簡單易得，生產(chǎn)成本低，在未來產(chǎn)業(yè)化的進程中具備重大潛力。
產(chǎn)業(yè)端常用的電子傳輸層材料包括金屬氧化物、有機小分子和復(fù)合材料，其中金屬氧化物有二氧化鈦(TiO2)和二氧化錫(SnO2)，有機小分子主要為富勒烯及其衍生物，復(fù)合材料包括通過絕緣材料框架與TiO2構(gòu)成復(fù)合材料如TiO2/Al2O3、摻雜其他元素如釔的石墨烯/TiO2納米顆粒復(fù)合材料。
二氧化鈦是最早且應(yīng)用最為廣泛的電子傳輸層材料，主要得益于二氧化鈦與鈣鈦礦的能級較為匹配，能夠有效實現(xiàn)電子傳輸并阻擋空穴，而且價格較為便宜，但TiO2制備過程中往往需要進行500℃以上的高溫?zé)Y(jié)以提升傳輸性能，這一過程制約了TiO2在柔性襯底上的應(yīng)用和其產(chǎn)業(yè)化的進程。
SnO2電導(dǎo)率和載流子遷移率較高，且制備溫度較低，是較為理想的電子傳輸層材料。因此目前SnO2被產(chǎn)業(yè)界廣泛研究，以期在產(chǎn)業(yè)化進程中實現(xiàn)對TiO2的替代。
吸光層采用的材料一般為有機-無機混合鈣鈦礦化合物前驅(qū)液，目前主流工藝多采用MAPbI3等。
鈣鈦礦電池的原材料儲備極為豐富，且配制前驅(qū)體溶液不含復(fù)雜工藝，對試劑純度要求不高。
最常用的有機材料是Spiro-OMeTAD、PTAA、PEDOT:PSS等。
然而有機空穴材料合成復(fù)雜，價格昂貴，主要為實驗室使用，且PEDOT:PSS等部分材料還具有酸性和吸濕性，會使得鈣鈦礦的吸光層材料衰減加速。
產(chǎn)業(yè)端多采用無機材料來代替有機材料，以提升電池壽命、降低生產(chǎn)成本。
常用的無機空穴材料包括Cu2O、CuI、CuSCN、NiOx等。無機空穴傳輸層還具有穩(wěn)定性好、空穴遷移率高、光學(xué)帶隙寬等優(yōu)勢，但目前HTL采用無機材料時，鈣鈦礦電池的效率表現(xiàn)不及使用有機空穴傳輸材料。
電極層：產(chǎn)業(yè)端多采用銅、銀等金屬電極，或金屬氧化物等作為電極層材料，碳電極也在嘗試中。
來源：網(wǎng)絡(luò)，高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池的制備與研究，鈣鈦礦太陽能電池的性能優(yōu)化及穩(wěn)定性研究，低成本制備高效率鈣鈦礦太陽能電池的研究，儲能投研，NERL，華泰研究，未來智庫
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