太陽能電池是一種利用光生伏特效應使得太陽能轉化為電能的半導體器件。
在數十年間，太陽能電池的發展已進入到了第三代，種類也得到了極大的豐富。
其中，第一代電池主要為晶硅太陽能電池，是目前技術最為成熟、商業化最為成功的太陽能電池，但仍存在著制備工藝復雜、對硅料純度要求較高等問題；
第二代為化學薄膜太陽能電池，主要以CdTe、GaAs、CIGS為代表。與晶硅電池相比，這類電池所需材料少，成本低而且轉化效率高，已經逐步進入到商業化的進程中，但其活性層具有部分稀有元素與重金屬元素，價格昂貴，難以應用于大規模生產；
第三代為新型薄膜太陽能電池，如鈣鈦礦太陽能電池（PSCs），染料敏化太陽能電池（DSSC），有機太陽能電池（OSC）等。
它們具有生產工藝簡單、原料儲量豐富、生產成本低等優勢，在效率提升和降本等方面均具備較大潛力，受到全球學術界和產業界的廣泛關注。
圖表1 太陽能電池的分類與認證最高效率
在太陽能電池的應用中，A為單價陽離子，通常為甲胺陽離子(MA+，CH3NH3+)、Cs+或甲脒陽離子(FA+，(NH2)2CH+)，X為鹵素陰離子(Cl-、Br-、I-)，B包括Pb2+、Sn2+、Bi2+等。
圖表2?鈣鈦礦晶體結構
晶硅實驗室效率陷入瓶頸，鈣鈦礦實驗室效率十余年間超越晶硅。
晶硅電池效率在1970年代達到了13%、14%，2017年后停留在26.7%。
而鈣鈦礦最早在2009年由日本科學家首次用于發電，轉換效率僅3.8%。
2012年，牛津大學的HenrySnaith發現鈣鈦礦可以用作太陽能電池的主要成分，而不僅僅是用作敏化劑，由此太陽能光伏研究領域正式開始使用合成鈣鈦礦。
經過10余年發展，單結鈣鈦礦電池的實驗室效率已達25.6%，接近由隆基22年11月創造的HJT晶硅電池26.8%的實驗室效率紀錄。單結鈣鈦礦電池理論轉化效率可達33%，高于晶硅電池極限效率29.4%。
圖表3?晶硅與鈣鈦礦電池效率
鈣鈦礦電池由多個功能層堆疊形成，其結構大致可分為三類：介孔結構、正式平面結構和反式平面結構，其中：
1）介孔結構是最早誕生的鈣鈦礦電池結構，其主要特點在于采用二氧化鈦作為介孔骨架，實現電子的轉移運輸，具有成膜均勻光滑、光電轉換效果好等優點。
然而，介孔結構往往需要進行高溫燒結，不利于大規模量產和柔性器件的制備；
2）正式平面結構與介孔結構較為類似，但不存在介孔電子傳輸層，減少了高溫燒結二氧化鈦的過程，制備工藝更為簡單，且相較介孔結構能獲得更高的開路電壓。但由于缺失介孔層，正式平面結構的電池對空間電場的分散能力更弱，因此轉化效率略遜色于介孔結構。
另外，正式平面結構往往使用濕度、熱穩定性較差的有機空穴傳輸層，影響了電池的穩定性。
3）反式平面結構的基本組成依次為TCO玻璃、空穴傳輸層、鈣鈦礦層、電子傳輸層和金屬電極，其電荷的流向與正式結構不同，空穴流向導電玻璃、電子則流向金屬對電極。
反式結構還具有制備工藝簡單、成膜溫度更低、與疊層電池器件結構的兼容性好等優點，是鈣鈦礦電池廠商產業化過程中采用的主流結構，但光電轉換效率相較正式結構仍具有與一定差距。
圖表5?鈣鈦礦結構示意圖
產業上常用的TCO導電玻璃分為ITO、FTO和AZO玻璃三類，分別采用In2O3、SnO2和ZnO作為靶材。
ITO具有電導率高、透過率高等優點，曾廣泛應用于光伏領域，但產業對光吸收性能要求趨嚴，使得TCO玻璃必須具備增強光散射的能力，而ITO很難實現這一要求，因此逐漸被FTO所取代。
FTO的導電性能與ITO相比稍顯遜色，但具有成本低、膜層硬、光學性能適宜等優點，目前是應用于光伏玻璃領域的主流產品。
AZO的光電性能與ITO相近，且AZO原材料簡單易得，生產成本低，在未來產業化的進程中具備重大潛力。
產業端常用的電子傳輸層材料包括金屬氧化物、有機小分子和復合材料，其中金屬氧化物有二氧化鈦(TiO2)和二氧化錫(SnO2)，有機小分子主要為富勒烯及其衍生物，復合材料包括通過絕緣材料框架與TiO2構成復合材料如TiO2/Al2O3、摻雜其他元素如釔的石墨烯/TiO2納米顆粒復合材料。
二氧化鈦是最早且應用最為廣泛的電子傳輸層材料，主要得益于二氧化鈦與鈣鈦礦的能級較為匹配，能夠有效實現電子傳輸并阻擋空穴，而且價格較為便宜，但TiO2制備過程中往往需要進行500℃以上的高溫燒結以提升傳輸性能，這一過程制約了TiO2在柔性襯底上的應用和其產業化的進程。
SnO2電導率和載流子遷移率較高，且制備溫度較低，是較為理想的電子傳輸層材料。因此目前SnO2被產業界廣泛研究，以期在產業化進程中實現對TiO2的替代。
吸光層采用的材料一般為有機-無機混合鈣鈦礦化合物前驅液，目前主流工藝多采用MAPbI3等。
鈣鈦礦電池的原材料儲備極為豐富，且配制前驅體溶液不含復雜工藝，對試劑純度要求不高。
最常用的有機材料是Spiro-OMeTAD、PTAA、PEDOT:PSS等。
然而有機空穴材料合成復雜，價格昂貴，主要為實驗室使用，且PEDOT:PSS等部分材料還具有酸性和吸濕性，會使得鈣鈦礦的吸光層材料衰減加速。
產業端多采用無機材料來代替有機材料，以提升電池壽命、降低生產成本。
常用的無機空穴材料包括Cu2O、CuI、CuSCN、NiOx等。無機空穴傳輸層還具有穩定性好、空穴遷移率高、光學帶隙寬等優勢，但目前HTL采用無機材料時，鈣鈦礦電池的效率表現不及使用有機空穴傳輸材料。
電極層：產業端多采用銅、銀等金屬電極，或金屬氧化物等作為電極層材料，碳電極也在嘗試中。
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原文始發于微信公眾號（光伏產業通）：鈣鈦礦：第三代電池佼佼者，產業化潛力較大
