隨著科學技術的不斷進步,人們對資源的需求量不斷增加。太陽能具有環(huán)保、無污染等優(yōu)點，是最有研究和開發(fā)潛力的能源之一。
太陽能電池的發(fā)展到目前為止經(jīng)歷了三代。
（1）第一代光伏電池以硅基太陽能電池為代表，包含單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池。
這類電池發(fā)展較成熟，已在商業(yè)和民用領域得到廣泛應用，占據(jù)全球光伏市場的90%。
這類太陽能電池的效率高達26.7%，但因制作工藝復雜，制作過程涉及嚴重的環(huán)境污染問題及轉化率提升瓶頸等，逐漸退出歷史舞臺。
（2）第二代光伏電池為多元化合物薄膜太陽能電池，擁有制作成本低、光電轉換效率較高、易于大規(guī)模生產等優(yōu)點。
但制作原料中含有劇毒金屬，會對環(huán)境造成嚴重破壞，因而無法成為硅基太陽能電池的理想替代品。
（3）第三代太陽能電池包含染料敏化太陽能電池（DSSCs）和鈣鈦礦太陽能電池，這類電池具有原料豐富、成本低等優(yōu)點，有極大的發(fā)展空間。
其中，鈣鈦礦太陽能電池作為一類新型光伏電池，其極限光電轉化效率理論計算值可達30.5%。
自從2009年首次研制，其光電轉化效率由3.8%迅速提高到28%，已逐步向硅基太陽能電池的最高效率靠攏。
硅基太陽能電池可正常工作25年，而鈣鈦礦太陽能電池處于光、水、熱等不同自然環(huán)境時，性能及穩(wěn)定性受到嚴重影響，無法達到商業(yè)使用標準。因此，迫切需要研究有效的策略來解決上述問題。
鈣鈦礦最初是一種化學組成為鈦酸鈣（CaTiO3）的礦物的名稱。近年來，鈣鈦礦材料成為光電領域的一大熱點，在材料科學、地球科學、物理學等眾多領域都可以見到它的身影，已經(jīng)用于探測器、發(fā)光二極管、太陽能電池等。
鈣鈦礦材料的吸收帶與太陽光譜匹配度較高，可以作為光伏材料。鈣鈦礦的一般化學結構為ABX3，如圖1所示。
其中，A為大半徑陽離子，一般指NH=CHNH3+（FA）、CH3NH3+（MA）等有機胺離子和Cs+、Rb+等無機陽離子；B為小半徑陽離子，一般指Pb2+和Sn2+；X為鹵素離子，A和B陽離子分別與X陰離子進行十二配位、六配位，從而形成立方八面體[AX12]和八面體[BX6]，最終構成較為規(guī)范的立方體晶體結構。正是這種ABX3結構，決定了鈣鈦礦擁有較好的異構化性、電催化性、吸光性等性質，從而成為一種新型的太陽能電池材料。鈣鈦礦太陽能電池由透明導電玻璃電極層、電子傳輸層、鈣鈦礦吸光層層、空穴傳輸層和對電極五部分構成，如圖2所示。
（1）在太陽光照射下吸收能量，大于吸光層禁帶寬度能量的光子被吸光層吸收，價帶電子受激發(fā)至導帶中，于價帶中留下空穴。（2）當吸光層導帶能級高于電子傳輸層的導帶能級時，吸光層中導帶電子注入電子傳輸層的導帶中；當吸光層的價帶能級低于空穴傳輸層的價帶能級時，電子運輸至陽極和外電路，吸光層中的空穴注入空穴傳輸層。（3）空穴運輸?shù)疥帢O和外電路，從而構成完整回路，如圖3所示。
鈣鈦礦薄膜是鈣鈦礦太陽能電池的核心部分，其穩(wěn)定性直接影響其商業(yè)化進程，這也為鈣鈦礦太陽能電池的未來研究指明了方向—需要致力于提高鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)定性。鈣鈦礦材料在外界溫度或壓力改變后可能發(fā)生一定的畸變，某些畸變后的異型結構并不穩(wěn)定且不具備吸光能力。常用容忍因子t判斷鈣鈦礦的穩(wěn)定性，其計算式如下：式中：RA、RB和RX分別為鈣鈦礦結構通式中A、B和X三種離子的半徑。研究表明，當t值介于0.9～1.0時，可形成結構穩(wěn)定的鈣鈦礦，且t值越接近1越穩(wěn)定；若t值偏離理論標準值，則無法形成鈣鈦礦結構，將變成四方向或正交結構。根據(jù)容忍因子理論，可以尋找或合成更加穩(wěn)定的鈣鈦礦材料，應用于鈣鈦礦太陽能電池。影響鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的內因是鈣鈦礦材料的自身穩(wěn)定性，而導致其不穩(wěn)定的主要因素為外界條件，如溫度、濕度、光照等，以下將對影響鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的外界因素進行深度剖析。空氣中以氣態(tài)形式存在的水分會對鈣鈦礦產生雙重影響，因為甲胺成分的吸濕性，空氣濕度達到一定條件時，會減少缺陷度密度，正向促進結晶質量及生長，增強薄膜的熒光壽命及強度，從而提高開路電壓和光伏性能。若在一定濕度的空氣中長期暴露，鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性會被破壞。當處于水分和氧氣的雙重條件下時，鈣鈦礦薄膜會逐步分解，具體分解過程如下：首先，發(fā)生水解反應生成CH3NH3I和黃色的PbI2；CH3NH3I會繼續(xù)進行可逆反應，進而分解為CH3NH2和HI；HI既發(fā)生氧化還原反應，又可以發(fā)生分解反應。針對水分和氧氣的影響，可考慮改進封裝技術，減少鈣鈦礦薄膜與水分和氧氣的接觸。溫度是影響鈣鈦礦材料穩(wěn)定性的重要因素。相關研究表明，溫度升高會使鈣鈦礦材料分解。根據(jù)飛行時間-二次離子質譜結果，在高溫條件下，鈣鈦礦薄膜中的碘離子和甲胺離子通過電子傳輸層（PCBM）擴散至銀電極表面并富集。電極界面內碘化銀的形成，為進一步的碘離子擴散提供了驅動力，導致鈣鈦礦層的分解加劇。離子脫離的過程主要發(fā)生在鈣鈦礦晶界，在晶粒內部的離子遷移作用下，薄膜中晶界重構并伴隨“熔融”現(xiàn)象。大量的離子缺失導致晶界處形成很厚的碘化鉛間隙，從而阻礙載流子的擴散與傳遞。除此之外，當處于高溫條件（56℃以上）時，四方晶系MAPbI3會向立方晶系發(fā)生轉變。由于單晶和多晶狀態(tài)下的MAPbI3具有較低的熱導率，若不能及時移除光照產生的熱量，將會影響器件的壽命。紫外光對鈣鈦礦材料具有雙重作用。紫外光既能影響鈣鈦礦吸光層材料分解，也能促進鈣鈦礦材料內部缺陷的修復。傳統(tǒng)的鈣鈦礦太陽能電池使用ITO、FTO導電玻璃作為電極，電池工作時太陽光照射到光伏板上。理想情況是紫外光被導電玻璃吸收，但事實并非如此，仍有部分近紫外光照射到達鈣鈦礦吸光層。這樣一來，會破壞鈣鈦礦吸光層材料的穩(wěn)定性，從而縮短鈣鈦礦太陽能電池壽命。此時可考慮添加穩(wěn)定性高、安全、環(huán)境友好型紫外線吸收劑，從而避免紫外線對鈣鈦礦電池造成的影響。鈣鈦礦電池材料含有少量有毒元素Pb，使用鈣鈦礦太陽能電池時，鉛很有可能滲出。高毒性鉛在生態(tài)系統(tǒng)中難以降解，若鉛進入土壤或地下水，將對環(huán)境產生不可預估的影響。故尋找鉛的優(yōu)良替代品或利用技術手段減少鉛用量刻不容緩，而Sn、Ge和ⅡA族元素等可以作為Pb的優(yōu)秀替代品。目前，可通過研發(fā)少鉛或無鉛型鈣鈦礦薄膜、回收利用有毒金屬等方式來實現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池的環(huán)境友好化。文章對鈣鈦礦太陽能電池的結構和工作原理、影響因素、研究進展等進行介紹。鈣鈦礦太陽能電池是當今太陽能電池中的研究熱點，展現(xiàn)了良好的發(fā)展前景。但是實現(xiàn)環(huán)境友好化，延長使用壽命，完善電池性能評價體系，提高太陽能電池的光電轉化效率和穩(wěn)定性，實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產仍是未來科研人員需解決的難題，距離真正實現(xiàn)鈣鈦礦太陽電池商業(yè)化生產，還有很長一段路要走。
來源：鈣鈦礦太陽能電池研究進展與發(fā)展現(xiàn)狀原文始發(fā)于微信公眾號（光伏產業(yè)通）：鈣鈦礦太陽能電池研究進展及其影響因素
