钙钛矿太阳能电池现状与工作原理分析

朱彤珺，云天英

河南工程学院

钙钛矿太阳能电池现状与工作原理分析

朱彤珺，云天英

河南工程学院

本文就钙钛矿太阳能电池的现状进行分析，了解其优势与缺陷，并介绍钙钛矿太阳能电池的工作原理。钙钛矿太阳能电池的光电转化率已经高于晶体硅太阳能电池，未来，这种太阳能电池将逐渐发展成为薄膜太阳能电池。

钙钛矿太阳能电池；现状；工作原理

当前社会经济快速发展，人口数量逐渐增加，城市化、工业化的发展逐渐推进，能源的消耗数量也逐渐增加。世界上的不可再生资源，比如石油、煤炭以及天然气等的储备粮日益减少，而太阳能作为一种可再生的能源，是取之不尽用之不竭的，因而受到社会的广泛关注。目前，太阳能电池是一种比较常见的利用方式。

一、钙钛矿太阳能电池的现状

1、钙钛矿太阳能电池的优势

钙钛矿太阳能电池转化效率比较快，目前已经达到了19.3%转化率，业内预计未来，通过使用新型材料（CaTiO3）的钙钛矿太阳能电池器件的转换效率最高能达到50%左右，是目前商业化的太阳能电池转化效率的2倍左右，该研究表明钙钛矿太阳能电池在未来的太阳能应用中潜力是很大的。

钙钛矿太阳能电池的器件制作工艺也比较简单，实验室的制作工艺主要分为溶液法、真空蒸镀、丝网印刷或者是三者混合的工艺。

钙钛矿太阳能电池的成本消耗不高，商业化的钙钛矿太阳能电池相比于火力发电，成本可能还要低。

2、钙钛矿太阳能电池的缺陷

作为一种新型的太阳能电池，钙钛矿太阳能电池有着很好的光电转换效率，但是在目前的光伏市场中，硅基太阳能电池还是处于主导地位的。其主要原因是相比于硅基太阳能电池，钙钛矿太阳能电池还是存在一定不足的，这些缺点和不足，是钙钛矿电池研究者目前需要克服的主要技术瓶颈。

钙钛矿太阳能电池虽然在实验室中获得了较高的光电转换效率，但是实验中获得的数据和结果与生活应用中的情况还是存在差异的，在实际应用中会受到更多因素的影响。现如今的实验室中，手制备工艺的限制，制备出来的钙钛矿太阳能电池器件面积都比较小，市场应用则需要面积更大的器件，以目前硅太阳能电池为例，其器件尺度一般可达到几十厘米，甚至更大。但是目前研究者还不能制作出尺寸较大的，连续的钙钛矿膜。

虽然钙钛矿材料的价格不高，但太阳能电池制造过程中使用的有机空穴传输层材料价格很贵，约为黄金价格的10倍以上。这就使得含有有机空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的成本比较高；目前Christian等已经报道将有机空穴传输层的材料用碘化铜制成的无机空穴传输层进行代替，[1]但是这种情况下制作出的太阳能电池光电转化率较低。

另外，器件的稳定性也是十分重要的评价标准。当前研究表明，在测试钙钛矿太阳能电池的伏安特性曲线时，图线往往呈现出滞后的问题，该现象使得研究者不能准确的测量太阳能电池的效率。此外，实验结果还会受到光照条件、扫描速度等的影响，这些问题出现的原因还有待进一步研究。

二、钙钛矿太阳能电池的工作原理

1、钙钛矿晶体结构分析

钙钛矿晶体是一种半导体，ABX3是其分子通式，比如铅钙钛矿，CH3NH3PbI3是其分子形式，阳离子与阴离子相互配位，构成的正八面体的结构。CH3NH3PbI3是禁带宽度为1.55电子伏特的半导体材料，[2]核外电子没有受到原子核的强烈束缚，所以当阳光照射时，电子就容易从原子核中脱离产生电子、空穴对。该材料的激子束缚能量只有0.03电子伏特，因此在室温条件下，激子容易分解成自由的载流子。在[3]CH3NH3PbI3-x Clx晶体中，载流子的扩散长度约为0.1微米左右，而在CH3NH3PbI3材料中，载流子扩散长度可达到1微米左右，较长的扩散长度有利于提高材料对太阳光的吸收，并保证载流子传输性能良好。另外，钙钛矿半导体是双载流子传输材料，可以作为太阳能电池光吸光层和传输层。

2、钙钛矿太阳能电池分析

虽然钙钛矿太阳能电池是一种新型的电池，但是从器件结构和工作原理上看，它也是一种染料敏化太阳能电池。电池的结构与染料敏化太阳能电池基本上是一样的，主要由3层功能层构成，它们是电子传输层、空穴传输层和光吸收层。

电子传输层的作用是将光吸收层传导过来的电子向外电路传输。空穴传输层则将分离出的空穴通过金属阳极传到外电路中。吸光层制备在二者之间，当太阳光照射时，光子的能量传递给光材料的原子，原子核不足以约束核外的电子而产生电子、空穴对，分离出的电子进入电子传输层中，进而产生电流。钙钛矿太阳能电池的吸光层，一般是将钙钛矿晶体吸附在多孔的TiO2薄膜上。[4]这种结构的钙钛矿功能层，比表面积大，能够充分的吸收入射光，提高了器件的入射光利用效率。

结束语

总而言之，钙钛矿材料有很多明显的优势，比如容易成膜、成本比较低，竞争性强等，这些都将对未来的太阳能电池发展将产生巨大的影响。相比于非晶硅电池，钙钛矿电池在开路电压、短路电流以及能量转换效率等方面都表现更加优秀，且钙钛矿电池还有制作简单，成本低廉等特点，因而具广阔的发展前景。

加快钙钛矿电池的商业化进程，需要器件增加稳定性、提高效率以及降低成本等方面进行控制。器件的稳定性问题不够理想、空穴传输层材料价格较高等问题仍然是阻碍器件大规模生产的主要原因。但是随着研究者的努力，钙钛矿太阳能电池已经逐渐呈现出商业化的发展态势。未来必然可以取代硅基太阳能电池而成为新一代的太阳能电池。

[1]王琛.钙钛矿太阳能电池的发展与工作原理[J].黑龙江科技信息,2016,01：36-37.

[2]魏静,赵清,李恒,施成龙,田建军,曹国忠,俞大鹏.钙钛矿太阳能电池：光伏领域的新希望[J].中国科学：技术科学,2014,08：801-821.

[3]丁雄傑,倪露,马圣博,马英壮,肖立新,陈志坚.钙钛矿太阳能电池中电子传输材料的研究进展[J].物理学报,2015,03：105-115.

[4]荣耀光,梅安意,刘林峰,李雄,韩宏伟.全固态介观太阳能电池：从染料敏化到钙钛矿[J].化学学报,2015,03：237-251.

朱彤珺（1972-），男，汉族，河南驻马店人，河南工程学院讲师，从事太阳能电池的研究；

云天英（1976-），女，苗族，贵州遵义人，河南工程学院教师，从事薄膜制备工艺的研究。