钙钛矿太阳能电池结构及原理
钙钛矿太阳能电池是目前比较热门的研究对象，国内外很多课题组从事于这方面的研究。该类型电池的光吸收层材料为钙钛矿结构，因此被命名为钙钛矿太阳能电池。材料的禁带宽度可以通过改变组成物质的种类及比例来调控，能覆盖的光谱吸收范围宽至红外波段，同时具备载流子扩散距离长和迁移率高的优点。器件的光电转换效率从2009年报道的3.8%到如今的最高25.2%。在生产工艺上，能通过溶液旋涂法进行低温制备，整体制造成本较低，并且可以制备柔性器件。兼具上述优势，钙钛矿电池凭借其无比卓越的光电性质和前景巨大的发展空间得到了全世界的研究人员的认可，可以说是站在了太阳能电池舞台的中央。
作为光电材料广泛使用的卤素钙钛矿型晶体结构如上图所示。其中，A离子处于立方晶体结构的八个顶角位置，一般是正一价的阳离子，例如有机甲胺离子CH3NH3+、有机甲脒离子NH2CH=NH2+和无机铯离子（Cs+）等。B离子处于立方体的体心位置，通常是正二价的金属离子，例如亚铅离子（Pb2+）、亚锡离子（Sn2+）和亚锗离子（Ge2+）等。X 离子处于立方体的八个面心位置，大部分是负一价的卤素离子，例如氟离子（F-）、氯离子（Cl-）、溴离子（Br-）和碘离子（I-）等。A位离子的半径大小需要满足一定基本条件，必须能够填充构成钙钛矿晶体。一个B位离子和六个X位离子形成BX6型的八面体结构，A位离子半径必须足够延伸到该框架内。因此，A位离子的半径总是比B位离子半径大。钙钛矿型立方体结构稳定与否是由各离子之间的距离决定。
1. 基本原理
钙钛矿太阳能电池基本原理是光生伏特效应，器件的工作机制总体可以被划分为五个过程：
（1）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库仑力作用束缚的电子-空穴对，即激子。
（2）激子扩散过程：激子产生后不会停留在原处，会在整个晶体内运动。激子的扩散长度足够长，激子在运动过程发生复合的几率较小，大概率可以扩散到界面处。
（3）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，其中电子跃迁到激发态，进入LUMO能级，解除束缚的空穴留在HOMO能级，进而成为自由载流子。
（4）载流子传输过程：激子解离后形成的自由载流子，其中自由电子通过电子传输层向阴极传输，自由空穴通过空穴传输层向阳极传输。
（5）电荷收集过程：自由电子通过电子传输层后被阴极层收集，自由空穴通过空穴传输层后被阳极层收集，两极形成电势差。电池与外加负载构成闭合回路，回路中形成电流。
2.电池结构及材料作用
钙钛矿太阳能电池的组成按照功能分层一般可分为五层：阳极层、空穴传输层、光吸收层、电子传输层以及阴极层。根据需要还可以再加上电子修饰层和空穴修饰层。根据五个基本功能层的顺序可分为nip型结构和pin型结构。nip型结构各层由下至上分别为：阴极层、电子传输层、光吸收层、空穴传输层、阳极层。pin型结构各层分布不同的是电子传输层和空穴传输层，即为：阳极层、空穴传输层、光吸收层、电子传输层、阴极层。各层起到不同的作用，共同构成完整电池。以 pin 型为例。阳极层一般是ITO导电玻璃，FTO 导电玻璃等，起收集空穴，构成电池阳极的作用。空穴传输层通常是PEDOT:PSS等材料，该层与电池的光吸收层的界面处的接触形成欧姆接触，能够高效地传输由活性层产生的自由空穴，且需要有效地阻挡住界面处自由电子的通过，进而避免电子与空穴的复合。光吸收层，即钙钛矿电池的活性层，由钙钛矿材料组成，该层是整个电池结构的核心位置，其成膜质量好坏直接决定了器件性能优劣。电子传输层通常是 PCBM 或 C60等材料，该层需要高效的传输光吸收层产生的自由电子，有效的阻挡自由空穴的通过，且与活性层的界面处形成欧姆接触。阴极层，一般是铝、银和铜等金属材料。
3.器件不稳定原因
钙钛矿中的铅容易氧化挥发，而当晶体遇水时则易分解。钙钛矿太阳能电池在恶劣的环境下，其稳定性能则相对较差，这是由于稳定性会受到热处理、光照、湿度等不同的影响，而湿度则是钙钛矿降解最快的原因之一。大量的研究表明，需要合理地控制空气中的水分，有利于钙钛矿晶粒的生长进而获得更为高质量的高载流子迁移率和长寿命的薄膜。但是在制作这一在制作钙钛矿太阳能电池中也需要考虑到一个问题，过量的水会影响到其结晶度。所以，应该选择最为行之有效的手段既可以提高钙钛矿的使用效果，又能防止过量的水对钙钛矿进行破坏。
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