鈣鈦礦太陽能電池

太陽能電池是一種通過光電效應或者光化學反應直接把光能轉化成電能的裝置。1839年, 法國物理學家Becquerel發現了光生伏特效應，1876年，英國科學家Adams等人發現，當太陽光照射硒半導體時，會產生電流。這種光電效應太陽能電池的工作原理是，當太陽光照在半導體 p-n 結區上，會激發形成空穴-電子對（激子）在p-n結電場的作用下，激子首先被分離成為電子與空穴並分別向陰極和陽極輸運。光生空穴流向p區，光生電子流向n區，接通電路就形成電流。

Fritts在1883年製備成功第一塊硒上覆薄金的半導體/金屬結太陽能電池, 其效率僅約 1%。1954 年美國貝爾實驗室的 Pearson，Fuller和Chapin等人研製出了第一塊晶體硅太陽能電池，獲得4.5%的轉換效率, 開啓了利用太陽能發電的新紀元。

此後, 太陽能技術發展大致經歷了三個階段：第一代太陽能電池主要指單晶硅和多晶硅太陽能電池，其在實驗室的光電轉換效率已經分別達到25%和20.4%；第二代太陽能電池主要包括非晶硅薄膜電池和多晶硅薄膜電池。第三代太陽能電池主要指具有高轉換效率的一些新概念電池, 如染料敏化電池、量子點電池以及有機太陽能電池等。 ^[1] 

鈣鈦礦晶體為ABX3 結構，一般為立方體或八面體結構。在鈣鈦礦晶體中，B離子位於立方晶胞的中心，被6個X離子包圍成配位立方八面體，配位數為6；A離子位於立方晶胞的角頂，被12個X離子包圍成配位八面體，配位數為12，如圖 所示，其中，A離子和X離子半徑相近，共同構成立方密堆積。

鈣鈦礦太陽電池中，A離子通常指的是有機陽離子，最常用的為CH₃NH₃⁺

(RA = 0.18 nm)，其他諸如NH₂CH=NH₂⁺(RA = 0.23 nm)，

CH₃CH₂NH₃⁺(RA = 0.19-0.22 nm) 也有一定的應用。B離子指的是金屬陽離子，主要有Pb₂⁺(RB = 0.119 nm)和Sn2⁺(RB = 0.110 nm)。X離子為鹵族陰離子, 即 I⁻ (RX = 0.220 nm)、Cl⁻(RX = 0.181 nm)和Br⁻(RX = 0.196 nm)。 ^[2] 

如圖a所示，介孔結構的鈣鈦礦太陽電池為：FTO導電玻璃、TiO2 緻密層、TiO2 介孔層、鈣鈦礦層、HTM層、金屬電極。

在此基礎上，Snaith等把多孔支架層n型半導體TiO₂ 換成絕緣材料Al₂O_3，形成如圖b所示的一種介觀超結構的異質結型太陽電池。

更進一步地，去掉絕緣的支架層，如圖c所示，製備出具有類似於p-i-n結構平面型異質結電池。

Gratzel等還在介孔結構基礎上將HTM層直接去掉，形成CH₃NH₃PbI₃/TiO₂異質結， 製備出一種無HTM層結構，如圖d所示。

此外, Malinkiewicz等人把鈣鈦礦材料作為吸光層用於有機太陽能電池的結構中，如圖e。 ^[2] 

在接受太陽光照射時，鈣鈦礦層首先吸收光子產生電子-空穴對。由於鈣鈦礦材激子束縛能的差異，這些載流子或者成為自由載流子，或者形成激子。而且，因為這些鈣鈦礦材料往往具有較低的載流子複合幾率和較高的載流子遷移率，所以載流子的擴散距離和壽命較長。

然後，這些未複合的電子和空穴分別被電子傳輸層和空穴傳輸層收集，即電子從鈣鈦礦層傳輸到等電子傳輸層，最後被FTO收集；空穴從鈣鈦礦層傳輸到空穴傳輸層，最後被金屬電極收集，當然，這些過程中總不免伴隨着一些使載流子的損失，如電子傳輸層的電子與鈣鈦礦層空穴的可逆複合、電子傳輸層的電子與空穴傳輸層的空穴的複合（鈣鈦礦層不致密的情況）、鈣鈦礦層的電子與空穴傳輸層的空穴的複合。要提高電池的整體性能，這些載流子的損失應該降到最低。

最後，通過連接FTO和金屬電極的電路而產生光電流。

鈣鈦礦太陽電池發展現狀良好，但仍有若干關鍵因素可能制約鈣鈦礦太陽電池的發展：

1、電池的穩定性問題。

2、吸收層中含有可溶性重金屬Pb

3、現今鈣鈦礦應用最廣的為旋塗法，但是旋塗法難於沉積大面積、連續的鈣鈦礦薄膜，故還需對其他方法進行改進，以期能製備高效的大面積鈣鈦礦太陽電池, 便於以後的商業化生產。

4、鈣鈦礦太陽電池的理論研究還有待增強。

鈣鈦礦作為一種人工合成材料，在 2009 年首次被嘗試應用於光伏發電領域後，因為性能優異、成本低廉、商業價值巨大，從此大放異彩。近年，全球頂尖科研機構和大型跨國公司，如牛津大學、瑞士洛桑聯邦理工學院、日本松下、夏普、東芝等都投入了大量人力物力，力爭早日實現量產。

2017 年 2 月，纖納光電以 15.2%的轉換效率，首次打破此前長期由日本保持的鈣鈦礦小組件的世界效率紀錄。此後，分別在當年 5 月和 12 月，以 16%和 17.4%的轉換效率實現了一年三破世界紀錄的佳績。這一次，他們又將鈣鈦礦小組件轉換效率提升至 17.9%，穩態輸出效率達 17.3%。該結果再一次證明了中國科學家在鈣鈦礦領域的技術領先優勢。 ^[3] 

2022年，南京大學現代工程與應用科學學院譚海仁教授課題組和英國牛津大學學者，運用塗布印刷、真空沉積等技術，在國際上首次實現了大面積全鈣鈦礦疊層光伏組件的製備，開闢了大面積鈣鈦礦疊層電池的量產化、商業化的全新路徑。經國際權威第三方測試機構認證，該組件穩定的光電轉換效率高達21.7%，是已知的鈣鈦礦光伏組件的世界最高效率。該成績被最新一期的《太陽電池世界紀錄表》收錄，相關成果近日刊發於國際權威學術期刊《科學》。 ^[4] 

2022年10月18日，寧德時代新能源科技股份有限公司“鈣鈦礦太陽能電池及其製備方法、用電設備”專利公佈。 ^[5] 

2023年4月21日消息，中國能源報官方微信公眾號更新文章，宣佈由杭州纖納光電科技有限公司自主研發的鈣鈦礦太陽能電池 α 組件順利通過了 IEC61215、IEC61730 穩定性全體系的國內外雙認證，並獲頒了全球首個鈣鈦礦分佈式電站的容量評估報告。纖納光電成為全球首家同時獲得國內外雙認證和鈣鈦礦電站實證檢測的機構。 ^[6]