钙钛矿太阳能电池结构及原理

近几年，钙钛矿太阳能电池的研究不断刷新了光电转化效率的纪录，目前已经超过22%了。

虽然现在每年光伏产业产能的90%以上都来自晶硅电池，但是由于钙钛矿太阳能电池的优良特性众多，越来越多的人对它青睐有加，源源不断的人力、物力都投入到了相关研究当中，钙钛矿太阳能电池巨大的魅力也逐渐展现在了人们面前。

有趣的是，钙钛矿太阳能电池中并没有钙元素，也没有钛元素。

其实，它得名于其中的吸光层材料：一种钙钛矿型物质。

钙钛矿是以俄罗斯矿物学家Perovski的名字命名的，最初单指钛酸钙（CaTiO3）这种矿物，后来把结构与之类似的晶体统称为钙钛矿物质。

钙钛矿太阳能电池中常用的光吸收层物质是甲氨铅碘（CH3NH3PbI3），由于CH3NH3PbI3这种材料中既含有无机的成分，又含有有机分子基团，所以人们也将这类太阳能电池称作杂化钙钛矿太阳能电池。

钙钛矿物质的原子结构

（a）钛酸钙（GaTiO3）晶体的原子结构；（b）钙钛矿太阳能中吸光层物质甲氨铅碘（CH3NH3PbI3）晶体的原子结构。

光电转换效率高

想要了解钙钛矿太阳能电池具有高效性能、备受人们青睐的秘密所在，我们就不得不说说它的光吸收与能量转化的原理了。

激子生成示意图

这一奇妙的过程大致如下：

太阳光入射到电池吸收层后随即被吸收，光子的能量将原来束缚在原子核周围的电子激发，使其形成自由电子。

由于物质整体上必须保持电中性，电子被激发后就会同时产生一个额外的带正电的对应物，物理学上将其叫做空穴。这样的一个“电子--空穴对”就是科学家们常说的“激子”。

钙钛矿太阳能电池的构造与运行机理示意图

激子被分离成电子与空穴后，分别流向电池的阴极和阳极。

有机金属卤化物钙钛矿结构太阳能电池是一种以全固态钙钛矿结构作为吸光材料的太阳能电池，其能隙约为1.5eV消光系数高，几百纳米厚的薄膜即可充分吸收800 nm以下的太阳光， 在光电转换领域具有重要的应用前景。钙钛矿太阳能电池凭借良好的吸光性和电荷传输速率，以及巨大的开发潜力， 被誉为“光伏领域的新希望”。随着电池效率纪录不断被刷新， 更多关于钙钛矿电池的研究成果不断涌现， 内容涵盖结构设计、工作机理、制备工艺各个方面的优化。

有机金属卤化物钙钛矿的基本结构及电池构造

有机金属卤化物钙钛矿结构太阳能电池是一种以全固态钙钛矿结构作为吸光材料的太阳能电池。这种材料制备工艺简单， 成本较低。钙钛矿材料的结构通式为ABX3， 其中A为有机阳离子， B为金属离子， X为卤素基团。该结构中， 金属B原子位于立方晶胞体心处， 卤素X原子位于立方体面心， 有机阳离子A位于立方体顶点位置（图1）。相比于以共棱、共面形式连接的结构， 钙钛矿结构更加稳定， 有利于缺陷的扩散迁移。

图1 钙钛矿ABX3 结构示意图

在用于高效太阳能电池的钙钛矿结构中， A位通常为HC（NH2）2+（简称FA+）或者CH3NH3+（简称MA+）等有机阳离子， 其主要作用是在晶格中维持电荷平衡，但A离子的尺寸大小可以改变能隙的大小。当A离子半径增大， 点阵扩张， 导致能隙相应变小， 吸收边发生红移， 从而获得更大的短路电流和16%左右的高电池转换效率。金属离子B通常为Pb离子， Pb具有良好的稳定性， 但由于有毒性， 因此也常被Ge， Sn，Ti替代。 以Sn为例， Sn-X-Sn键角大于Pb， 能隙更窄，ASnX3表现出很高的开路电压和良好的光电特性，电压损失很小。但在同一族元素中， 原子序数越小， 元素稳定性越差。 为了解决稳定性问题， 将Pb与Sn按一定比例结合， 降低Sn带来的不稳定性， 同时又获得较高的转换效率。 卤素基团X通常为碘、溴和氯。 其中带有碘基团的钙钛矿太阳能电池在力学性能上（如弹性、强度等）不如带有溴基团的电池。电子吸收光谱由Cl至I依次拓宽，能隙的红移也逐次增加。 这是由于随着原子量的升高， 元素电负性变弱， 与金属离子B成键中的共价作用增强。 ABX3型的有机-无机卤化物在不同温度下具有不同的结构。

钙钛矿太阳能电池的基本构造通常为衬底材料/导电玻璃（镀有氧化物层的基片玻璃）/电子传输层（二氧化钛）/钙钛矿吸收层（空穴传输层）/金属阴极（图2）。

图2 （网络版彩色）两种典型的钙钛矿太阳能电池的结构示意图。

（a） 介观结构钙钛矿太阳能电池;

（b） 平面异质结结构钙钛矿太阳能电池

入射光透过玻璃入射以后， 能量大于禁带宽度的光子被吸收， 产生激子， 随后激子在钙钛矿吸收层分离， 变为空穴和电子并分别注入传输材料中。 其中空穴注入是从钙钛矿材料进入到空穴传输材料中， 电子注入是从钙钛矿材料进入到电子传输材料（通常为二氧化钛薄膜）中。基于此， 钙钛矿有两类结构：介观结构和平面异质结结构。 介观结构钙钛矿太阳能电池是基于染料敏化太阳能电池（DSSCs）发展起来的， 和DSSCs的结构相似： 钙钛矿结构纳米晶附着在介孔结构的氧化物（如TiO2）骨架材料上， 空穴传输材料沉积在其表面， 三者共同作为空穴传输层（图2（a））。在这种结构中， 介孔氧化物（TiO2）既是骨架材料， 也能起到传输电子的作用。 平面异质结结构将钙钛矿结构材料分离出来， 夹在空穴传输材料和电子传输材料中间（图2（b））。激子在夹芯的钙钛矿材料中分离， 这种材料可同时传输空穴和电子。

钙钛矿结构材料的晶体学取向也会影响电池效率。 Docampo等研究发现， 当提高溶液的浸泡温度， 或者在CH3NH3I和PbCl2混合后进行后续热处理，得到的电池短路电流更大， 转换效率更高。而这个过程发生的改变就是钙钛矿结构的长轴方向趋向于与基底平行， 形成各向异性。 这种各向异性越明显， 电池性能越好， 因此研究钙钛矿材料的晶体学取向也是获得优异性能的重点方向之一。

钙钛矿太阳能电池的发展方向

提高电池转换效率

转换效率是衡量太阳能电池性能最重要的指标，目前得到认证的最高电池转换效率已经达到20.1%（图3）。 限制太阳能电池转换效率提升的瓶颈在于入射光的大部分能量被反射或者透射损耗掉， 而只有与吸光层材料能隙相近的光才能被吸收转化为电能。 因此， 提高电池转换效率的关键在于改善电池的能带结构。 除了上文中提到的通过调控钙钛矿材料中的离子基团来调节能隙， 制备出不同能隙的多结太阳能电池也是该领域研究的重要方向之一。

图3 美国国家可再生能源实验室（NREL）给出的各类太阳能电池转换效率数据

除此之外， 减少电子和空穴在传输过程中的复合来提高传输速率， 也是提高转换效率的重要途径。

（ⅰ） 界面调控。 由钙钛矿电池工作机理可以看出， 钙钛矿太阳能电池转换效率的提升不仅取决于光的吸收能力， 还取决于载流子在钙钛矿结构中的传输速率。

（ⅱ） 改进钙钛矿电池的制备工艺。钙钛矿太阳能电池作为一种新型的薄膜太阳能电池， 其制备工艺与其他薄膜电池类似， 例如旋转涂覆法（溶液旋涂法）、真空蒸镀法（气相法）等。 无论何种制备方法都以制备高纯度、缺陷少、高覆盖率、致密的钙钛矿层薄膜与传输层薄膜为目的， 其本质在于改善不同层结构之间的电学接触， 降低缺陷密度， 减少载流子在传输过程中的损耗， 从而实现高的电池转换效率。

（ⅲ） 新材料和新电池结构的尝试。目前， 钙钛矿太阳能电池最常用的材料是用CH3NH3PbI3作为光吸收层， 用TiO2作为电子传输层， 用spiro-OMeTAD作为固态空穴传输层， 最初的转换效率达到了8.3%。 为了进一步提高太阳能电池的转换效率，突出钙钛矿材料的优势， 人们开始在太阳能电池的不同结构上使用新材料， 或者设计新的电池结构， 期望得到突破。

总体来说，无论是新材料的使用， 还是新器件结构的改进，各种方法虽然都得到了较好的电池转换效率，但相比传统结构的钙钛矿太阳能电池来说仍然略低，不过从成本、稳定性、环境友好等角度考虑，都具有很高的研究价值。

提高太阳能电池稳定性

有机金属卤化物钙钛矿材料在潮湿环境和光照条件下稳定性较差，容易发生分解而造成电池效率下降甚至失效，因此除不断提升转换效率外，目前很多研究也致力于提高太阳能电池的稳定性。 钙钛矿电池的稳定性受到温度、湿度等多种环境因素的制约。 改善钙钛矿电池的稳定性有两种思路： 一种是提高钙钛矿材料本身的稳定性，另一种是寻找合适的传输层材料使电池与环境隔绝，抑制钙钛矿材料的分解。

在前一种方法中， Smith等人以一种二维混合钙钛矿材料（PEA）2（MA）2［Pb3I10］ （PEA=C6H5（CH2）2NH3+， MA=CH3NH3+）作为吸收材料（结构如图4所示），该结构可通过旋涂沉积形成且无需高温退火。 和普通三维钙钛矿材料（MA）［PbI3］相比， 二维钙钛矿电池在室温潮湿环境下放置46天而不引起性能的明显下降， 具有很好的稳定性。 但目前可以替代ABX3中各组分的原子/原子团的选择很有限， 相关研究报道也比较少。 近年来更多的研究集中在后者， 即寻找合适的传输层材料。

图4 （网络版彩色）钙钛矿材料的改进及稳定性提升。

（a） 两种晶体结构示意图， 其中A和B分别为三维材料（MA）［PbI3］和二维材料（PEA）2（MA）2［Pb3I10］的结构;

（b） 不同薄膜在潮湿环境下经过相同时间后XRD谱， 其中1， 2a， 2b分别为二维材料薄膜、旋涂质量较差的三维材料薄膜和旋涂质量较好的三维材料薄膜

在第二种方法中， 研究者致力于寻找更好的空穴传输材料来提高钙钛矿太阳能电池的稳定性。 好的空穴传输材料能使激子具有更长的寿命和量子产率， 延长电池的使用寿命。 钙钛矿电池中通常使用的空穴传输材料为p型掺杂的spiro-OMeTAD。通过改变空穴传输材料来提高材料稳定性的思路有两类：第一类是用其他材料来替换原有的空穴材料; 另一类是向该空穴材料中加入添加剂或者替换原有的p型添加剂。 两类方法提高稳定性的效果如图5所示。

图5 （网络版彩色）改进钙钛矿太阳能电池稳定性的不同方法。

（a） 使用四硫富瓦烯衍生物（TTF-1）和环二芴（spiro-OMeTAD）作为空穴传输材料的两种电池的稳定性对比;

（b） 添加PDPPDBTE电池与原材料电池的稳定性对比;

（c） 采用不同的掺杂剂后电池的稳定性;

（d） 不同XTHSI在3 个月后的电池效率变化（其中X代表金属元素（如Li， Co， Ir）， THIS代表二（酰基三氟甲烷）酰亚胺））

在第二类方法中， p型添加剂的引入可提高载流子浓度， 进而减少串联电阻及界面处的电荷传输阻抗。 目前效果较理想的掺杂剂是LiTFSI（锂基二（酰基三氟甲烷）酰亚胺）。 但在含氧环境中， 氧气会消耗空穴传输层和TiO2表面的锂离子， 使光电流降低、电阻升高， 降低电池的稳定性， 因此寻找更好的添加剂不仅可以起到提高效率的效果， 还可以进一步提高稳定性。 利用其他元素来替换金属Li是目前研究的热点之一。

实现钙钛矿太阳能电池的环境友好化

由于含铅材料对环境的不友好性， 研究者们在努力实现无铅化， 但相应会带来电池转换效率的降低。 最直接的方法是利用同族元素（如Sn）来代替Pb元素。 在MAXI3材料中， CH3NH3SnI3的能隙仅为1.3 eV，远低于CH3NH3PbI3的1.55 eV， 可以使吸收光谱发生红移。 采用CsSnI3作为光吸收材料， 并加入SnF2作为添加剂也以减少缺陷密度， 提高载流子浓度， 进而提高电池效率。这两种替代的吸收材料的吸收光谱发生明显红移， 可以吸收更宽波段的入射光。

从解决环境污染但又不牺牲电池转换效率的角度出发，Chen等人提出了另一种思路， 即回收汽车电池来提供铅源。 由于汽车电池中的铅源具有相同的材料特性（如晶体结构、形貌、吸光性和光致发电性能）和光电性能， 既提供了钙钛矿材料制备所需的铅源， 又解决了废旧含铅电池无法妥善处理的问题， 因此具有一定的实际应用价值。

结论

钙钛矿太阳能电池也存在一些亟需突破的问题。 首先， 人们大多专注于从不同的角度改进材料和制备方法来提高电池的转换效率， 但始终没有建立起完备的理论模型来解释电池转换效率提高的原因， 难以得到一个准确可靠的转换效率的理论上限。 其次， 如何兼顾提高稳定性和转换效率是目前的一个难点。 钙钛矿太阳能电池对水蒸气和氧气非常敏感，尽管目前已经出现稳定性长达4个月的电池， 但效率仅有12%， 相比传统晶硅电池（寿命可达25年）， 依然有较大差距。 再次，如何实现钙钛矿太阳能电池的大面积连续制备也是现在面临的一个重要问题。在实验室所制得的器件的尺寸仅有几厘米大小，与满足产业化需求还有距离。 最后， 如何避免使用铅等对环境不友好的重金属同时兼顾高的转换效率也是目前面临的重大挑战。 目前用其他元素替换铅通常要以降低电池效率为代价， 寻找更合理的方式解决含铅带来的环境问题， 使钙钛矿太阳能电池可回收、可再生， 对实际产业化同样重要。基于此，通过改善钙钛矿层与其他传导层间的界面性能， 寻找更高效的电子/空穴传输材料， 电池转换效率仍有非常大的提升空间， 同时也可以使太阳能电池的稳定性得到改善。实现钙钛矿材料的无铅化， 也成为钙钛矿太阳能电池最终能否被公众接受、实现广泛应用的关键因素之一。