鈣鈦礦太陽(yáng)能電池現(xiàn)狀與工作原理分析

朱彤珺，云天英

河南工程學(xué)院

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池現(xiàn)狀與工作原理分析

朱彤珺，云天英

河南工程學(xué)院

本文就鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，了解其優(yōu)勢(shì)與缺陷，并介紹鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的工作原理。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化率已經(jīng)高于晶體硅太陽(yáng)能電池，未來(lái)，這種太陽(yáng)能電池將逐漸發(fā)展成為薄膜太陽(yáng)能電池。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池；現(xiàn)狀；工作原理

當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人口數(shù)量逐漸增加，城市化、工業(yè)化的發(fā)展逐漸推進(jìn)，能源的消耗數(shù)量也逐漸增加。世界上的不可再生資源，比如石油、煤炭以及天然氣等的儲(chǔ)備糧日益減少，而太陽(yáng)能作為一種可再生的能源，是取之不盡用之不竭的，因而受到社會(huì)的廣泛關(guān)注。目前，太陽(yáng)能電池是一種比較常見(jiàn)的利用方式。

一、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的現(xiàn)狀

1、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的優(yōu)勢(shì)

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率比較快，目前已經(jīng)達(dá)到了19.3%轉(zhuǎn)化率，業(yè)內(nèi)預(yù)計(jì)未來(lái)，通過(guò)使用新型材料（CaTiO3）的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件的轉(zhuǎn)換效率最高能達(dá)到50%左右，是目前商業(yè)化的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率的2倍左右，該研究表明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在未來(lái)的太陽(yáng)能應(yīng)用中潛力是很大的。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的器件制作工藝也比較簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)室的制作工藝主要分為溶液法、真空蒸鍍、絲網(wǎng)印刷或者是三者混合的工藝。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的成本消耗不高，商業(yè)化的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池相比于火力發(fā)電，成本可能還要低。

2、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的缺陷

作為一種新型的太陽(yáng)能電池，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池有著很好的光電轉(zhuǎn)換效率，但是在目前的光伏市場(chǎng)中，硅基太陽(yáng)能電池還是處于主導(dǎo)地位的。其主要原因是相比于硅基太陽(yáng)能電池，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池還是存在一定不足的，這些缺點(diǎn)和不足，是鈣鈦礦電池研究者目前需要克服的主要技術(shù)瓶頸。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池雖然在實(shí)驗(yàn)室中獲得了較高的光電轉(zhuǎn)換效率，但是實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)和結(jié)果與生活應(yīng)用中的情況還是存在差異的，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到更多因素的影響?，F(xiàn)如今的實(shí)驗(yàn)室中，手制備工藝的限制，制備出來(lái)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件面積都比較小，市場(chǎng)應(yīng)用則需要面積更大的器件，以目前硅太陽(yáng)能電池為例，其器件尺度一般可達(dá)到幾十厘米，甚至更大。但是目前研究者還不能制作出尺寸較大的，連續(xù)的鈣鈦礦膜。

雖然鈣鈦礦材料的價(jià)格不高，但太陽(yáng)能電池制造過(guò)程中使用的有機(jī)空穴傳輸層材料價(jià)格很貴，約為黃金價(jià)格的10倍以上。這就使得含有有機(jī)空穴傳輸層的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的成本比較高；目前Christian等已經(jīng)報(bào)道將有機(jī)空穴傳輸層的材料用碘化銅制成的無(wú)機(jī)空穴傳輸層進(jìn)行代替，[1]但是這種情況下制作出的太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化率較低。

另外，器件的穩(wěn)定性也是十分重要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前研究表明，在測(cè)試鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線時(shí)，圖線往往呈現(xiàn)出滯后的問(wèn)題，該現(xiàn)象使得研究者不能準(zhǔn)確的測(cè)量太陽(yáng)能電池的效率。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還會(huì)受到光照條件、掃描速度等的影響，這些問(wèn)題出現(xiàn)的原因還有待進(jìn)一步研究。

二、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的工作原理

1、鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)分析

鈣鈦礦晶體是一種半導(dǎo)體，ABX3是其分子通式，比如鉛鈣鈦礦，CH3NH3PbI3是其分子形式，陽(yáng)離子與陰離子相互配位，構(gòu)成的正八面體的結(jié)構(gòu)。CH3NH3PbI3是禁帶寬度為1.55電子伏特的半導(dǎo)體材料，[2]核外電子沒(méi)有受到原子核的強(qiáng)烈束縛，所以當(dāng)陽(yáng)光照射時(shí)，電子就容易從原子核中脫離產(chǎn)生電子、空穴對(duì)。該材料的激子束縛能量只有0.03電子伏特，因此在室溫條件下，激子容易分解成自由的載流子。在[3]CH3NH3PbI3-x Clx晶體中，載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度約為0.1微米左右，而在CH3NH3PbI3材料中，載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度可達(dá)到1微米左右，較長(zhǎng)的擴(kuò)散長(zhǎng)度有利于提高材料對(duì)太陽(yáng)光的吸收，并保證載流子傳輸性能良好。另外，鈣鈦礦半導(dǎo)體是雙載流子傳輸材料，可以作為太陽(yáng)能電池光吸光層和傳輸層。

2、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池分析

雖然鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是一種新型的電池，但是從器件結(jié)構(gòu)和工作原理上看，它也是一種染料敏化太陽(yáng)能電池。電池的結(jié)構(gòu)與染料敏化太陽(yáng)能電池基本上是一樣的，主要由3層功能層構(gòu)成，它們是電子傳輸層、空穴傳輸層和光吸收層。

電子傳輸層的作用是將光吸收層傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的電子向外電路傳輸?？昭▊鬏攲觿t將分離出的空穴通過(guò)金屬陽(yáng)極傳到外電路中。吸光層制備在二者之間，當(dāng)太陽(yáng)光照射時(shí)，光子的能量傳遞給光材料的原子，原子核不足以約束核外的電子而產(chǎn)生電子、空穴對(duì)，分離出的電子進(jìn)入電子傳輸層中，進(jìn)而產(chǎn)生電流。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的吸光層，一般是將鈣鈦礦晶體吸附在多孔的TiO2薄膜上。[4]這種結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦功能層，比表面積大，能夠充分的吸收入射光，提高了器件的入射光利用效率。

結(jié)束語(yǔ)

總而言之，鈣鈦礦材料有很多明顯的優(yōu)勢(shì)，比如容易成膜、成本比較低，競(jìng)爭(zhēng)性強(qiáng)等，這些都將對(duì)未來(lái)的太陽(yáng)能電池發(fā)展將產(chǎn)生巨大的影響。相比于非晶硅電池，鈣鈦礦電池在開(kāi)路電壓、短路電流以及能量轉(zhuǎn)換效率等方面都表現(xiàn)更加優(yōu)秀，且鈣鈦礦電池還有制作簡(jiǎn)單，成本低廉等特點(diǎn)，因而具廣闊的發(fā)展前景。

加快鈣鈦礦電池的商業(yè)化進(jìn)程，需要器件增加穩(wěn)定性、提高效率以及降低成本等方面進(jìn)行控制。器件的穩(wěn)定性問(wèn)題不夠理想、空穴傳輸層材料價(jià)格較高等問(wèn)題仍然是阻礙器件大規(guī)模生產(chǎn)的主要原因。但是隨著研究者的努力，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池已經(jīng)逐漸呈現(xiàn)出商業(yè)化的發(fā)展態(tài)勢(shì)。未來(lái)必然可以取代硅基太陽(yáng)能電池而成為新一代的太陽(yáng)能電池。

[1]王琛.鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的發(fā)展與工作原理[J].黑龍江科技信息,2016,01：36-37.

[2]魏靜,趙清,李恒,施成龍,田建軍,曹?chē)?guó)忠,俞大鵬.鈣鈦礦太陽(yáng)能電池：光伏領(lǐng)域的新希望[J].中國(guó)科學(xué)：技術(shù)科學(xué),2014,08：801-821.

[3]丁雄傑,倪露,馬圣博,馬英壯,肖立新,陳志堅(jiān).鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中電子傳輸材料的研究進(jìn)展[J].物理學(xué)報(bào),2015,03：105-115.

[4]榮耀光,梅安意,劉林峰,李雄,韓宏偉.全固態(tài)介觀太陽(yáng)能電池：從染料敏化到鈣鈦礦[J].化學(xué)學(xué)報(bào),2015,03：237-251.

朱彤珺（1972-），男，漢族，河南駐馬店人，河南工程學(xué)院講師，從事太陽(yáng)能電池的研究；

云天英（1976-），女，苗族，貴州遵義人，河南工程學(xué)院教師，從事薄膜制備工藝的研究。