一、太阳能电池介绍

    第一代以晶硅为主，第二代以薄膜电池为主，典型代表为铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉（CdTe）电池，第三代以钙钛矿为代表的新型太阳能电池。

 1839年德国矿物学家Gustav Rose发现了钛酸钙（CaTiO3）的结构，并以俄国矿物学家Lev Perovski的姓氏命名，被公认为是”钙钛矿”名词的起源，而具有与CaTiO3相同类型晶体结构(ABX3)的材料，则被称为钙钛矿结构材料。

二、第一代至第三代差异比较表 

三、何谓钙钛矿太阳能电池：是一种具有潜力的光电材料，其化学组成类似于普通钙钛矿结构，但其晶格结构较为柔软

•  高转换效率：具有高吸收系数和高载子迁移率，这使得它们能够更有效地转换太阳能为电能。

•  低制造成本：相对于传统的硅基太阳能电池，柔性钙钛矿的制造成本较低。

•  灵活性：以薄膜形式制备，使其能够应用于弯曲的或不规则形状的表面，这为柔性电子学和可穿戴技术提供了许多潜在应用。

•  多应用性：除了太阳能电池之外，柔性钙钛矿还可以应用于光电二极管、光电探测器等设备中，这扩展了其在光电领域中的应用范围。

四、钙钛矿晶体结构

•  ABX₃属于四方晶系。 1个金属-B原子与6个卤素-X原子配位形成[BX₆]八面体结构，A原子被周围的共享顶点的8个八面体骨架包围在较弱的范德华力相互作用下保持结构稳定。

•  A代表一价有机或无机阳离子，如甲脒离子（HC(NH₂)₂⁺）甲铵离子（CH₃NH₃⁺）、铯离子（Cs⁺）、铷离子（Rb⁺），或多种阳离子混合等。

•  B代表二价金属阳离子，如铅离子（Pb²⁺）、锡离子（Sn²⁺），锗离子（Ge²⁺），或多种金属离子混合等。

•  X代表一价卤素阴离子，如溴离子（Br^-）、碘离子（I^-）、氯离子（Cl^-），或多种卤素离子混合等。

六、光能转电能原理主要分为以下5个过程

•  光子吸收过程：受到太阳光辐射时，电池的光吸收层材料吸收光子产生受动。激子的扩散长度够长，激子在运动过程中发生复合的几率较小，库仑力作用束缚的电子-电洞对，即激子。

•  激子扩散过程：激子产生后不会停留在原处，会在整个晶体内移动。激子的扩散长度够长，激子在运动过程中发生复合的几率较小，大机率可以扩散到界面处。

•  激子解离过程：钙钛矿材料的激子结合能小，在钙钛矿光吸收层与传输层的界面处，激子在内建电场的作用下容易发生解离，进而成为自由载流子。

•  载子传输过程：激子解离后形成的自由载子，其中自由电子透过电洞传输层向阳极传输。

•  电荷收集过程：自由电子通过电子传输层后被阴极层收集，自由电洞通过电洞传输层后被阳极层收集，两极形成电位差，电池与外加负载构成闭合回路，回路中形成电流。

七、钙钛矿太阳能电池结构示意图

八、钙钛矿太阳能电池结构特点

•  金属对电极：收集空穴及电子之电子载流子；通常以Au、Ag及Al等导电金属，顺式-Au，反式-Ag。

•  空穴传输层：传输空穴载流子，并阻挡电子在该层的迁移，同时该层还起到了防止钙钛矿层与电极直接接触引起电池内部电路短路的作用；主要可分为以Spiro -OMeTAD、PTAA、PDPPDBTE等为代表的有机类材料及以NiO、CuI、CuSCN、CuO、Cu₂O等为代表的无机类材料。

•  柔性钙钛矿：置于中心位置，主要负责吸收光能量，并生成载流子；甲胺碘化铅（MAPbI3）和甲脒碘化铅（FAPbI3）等等。

•  电子传输层：高效率传输电子，阻挡电穴向阴极方向移动，避免电穴-电子对分离不彻底从而造成载子在电池内部积累；主要包含TiO₂、SnO₂、Al₂O₃等金属氧化物及一些有机物材料。

•  透明导电(薄膜/玻璃) ：电池的各层均在导电玻璃/薄膜上(高透光)；FTO或ITO导电玻璃/薄膜。

九、钙钛矿太阳能电池结构特点

十、钙钛矿太阳能电池应用

•  太阳能电池：最为广泛研究的应用之一。其高转换效率和低制造成本，被视为下一代太阳能技术的有潜力候选者。它们可以应用于屋顶、窗户、建筑外墙等各种表面，同时也可以用于便携式和可穿戴式电子产品。

•  光电二极管：用于制造高效的光电二极管，用于显示技术、光通信、感测器等设备中。由于其高吸收系数和高载子迁移率，具有优异的光电性能。

•  光电探测器：用于制造高灵敏度和高速度的光电探测器，用于光学通信、远程感测等应用中。

•  柔性电子学：可以在弯曲的或不规则形状的表面上制造，使得非常适合于柔性电子学应用，如可穿戴技术、柔性显示屏、柔性电路等。

•  光催化：也被研究用于光催化应用，如水分解、二氧化碳还原等，这对于解决能源和环境问题具有重要意义。

十一、参考文献

[1] https://www.mirrormedia.mg/story/20221228ind002

[2] https://www.sohu.com/a/322347477_749304#google_vignette

[3] https://www.abpv360.com/a/4067

[4] https://www.jiuyangongshe.com/a/8twky5129m

[5] https://www.laohu8.com/post/669937331

[6] http://www.sztspi.com/archives/147996.html

[7] https://www.x-mol.com/groups/Tsinghua-EEA-312lab/news/33381

[8] https://news.cnpowder.com.cn/50500.html

[9] https://www.futuretech.org.tw/futuretech/index.php?action=product_detail&prod_no=P0008700001350