活性層材料對鈣鈦礦太陽電池性能的影響研究

一、引言1.1研究背景與意義在全球能源需求持續(xù)增長以及對環(huán)境保護日益重視的大背景下，太陽能作為一種清潔、可再生的能源，受到了廣泛關(guān)注。太陽能電池作為將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)鍵器件，其性能的提升對于太陽能的高效利用至關(guān)重要。鈣鈦礦太陽能電池（PerovskiteSolarCells，PSCs）作為一種新興的太陽能電池技術(shù)，近年來在光伏領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力。鈣鈦礦太陽能電池具有獨特的優(yōu)勢，使其在眾多太陽能電池技術(shù)中脫穎而出。在光電轉(zhuǎn)換效率方面，其發(fā)展極為迅速，短短十幾年間，單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池的實驗室光電轉(zhuǎn)換效率已從最初的3.8%飆升至超過25%，與傳統(tǒng)的硅基太陽能電池相當(dāng)，甚至在理論上具有更高的轉(zhuǎn)換效率極限。這一顯著的效率提升得益于鈣鈦礦材料自身優(yōu)異的光電性能，如高吸收系數(shù)，使得鈣鈦礦材料能夠在較薄的厚度下充分吸收太陽光，產(chǎn)生大量的電子-空穴對；長電荷擴散長度，有助于光生載流子在材料內(nèi)部高效傳輸，減少復(fù)合損失；高載流子遷移率，保證了載流子能夠快速地傳輸?shù)诫姌O，從而提高電池的輸出性能。從成本角度來看，鈣鈦礦太陽能電池具有明顯的優(yōu)勢。其制備工藝相對簡單，可采用溶液加工方法，如旋涂、刮涂、噴墨打印等，這些方法不需要復(fù)雜的設(shè)備和高昂的成本，大大降低了制備成本。而且，鈣鈦礦材料的原料來源豐富，價格相對低廉，進一步降低了電池的成本。相比之下，傳統(tǒng)的硅基太陽能電池制備過程復(fù)雜，需要高溫、高真空等條件，設(shè)備昂貴，成本較高。在制備工藝上，鈣鈦礦太陽能電池的靈活性和可擴展性也為其大規(guī)模應(yīng)用提供了便利。它可以制備在各種柔性基底上，如塑料、紙張等，實現(xiàn)柔性太陽能電池的制備，這為其在可穿戴設(shè)備、便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。同時，鈣鈦礦太陽能電池還可以通過卷對卷印刷等工藝實現(xiàn)大面積制備，有望實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。然而，盡管鈣鈦礦太陽能電池具有諸多優(yōu)勢，但要實現(xiàn)其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，仍面臨一些挑戰(zhàn)。活性層作為鈣鈦礦太陽能電池的核心部分，其性能直接決定了電池的光電轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性和壽命等關(guān)鍵性能指標(biāo)。不同活性層的鈣鈦礦太陽能電池在測試參數(shù)上存在顯著差異，深入研究這些差異背后的機制，對于優(yōu)化電池性能、解決現(xiàn)存問題具有至關(guān)重要的意義。對不同活性層鈣鈦礦太陽能電池測試參數(shù)的研究，有助于揭示活性層材料的結(jié)構(gòu)、組成與電池性能之間的內(nèi)在關(guān)系。通過對光吸收特性、載流子傳輸特性、界面特性等測試參數(shù)的分析，可以深入了解活性層在電池工作過程中的物理過程，從而為活性層材料的設(shè)計和優(yōu)化提供理論依據(jù)。例如，通過研究不同活性層的光吸收譜，可以選擇具有更合適帶隙和光吸收范圍的材料，以提高太陽能的利用效率；通過分析載流子遷移率、壽命等參數(shù)，可以優(yōu)化活性層的晶體結(jié)構(gòu)和缺陷密度，提高載流子的傳輸效率和穩(wěn)定性。研究不同活性層鈣鈦礦太陽能電池的測試參數(shù)，能夠為電池制備工藝的優(yōu)化提供指導(dǎo)。不同的制備工藝會對活性層的形貌、結(jié)晶質(zhì)量、界面質(zhì)量等產(chǎn)生影響，進而影響電池的測試參數(shù)和性能。通過系統(tǒng)研究不同制備工藝下電池的測試參數(shù)，可以確定最佳的制備工藝條件，提高電池的性能和穩(wěn)定性。例如，研究不同退火溫度、時間對活性層結(jié)晶質(zhì)量和電池性能的影響，有助于找到最優(yōu)的退火工藝，改善活性層的晶體結(jié)構(gòu)，減少缺陷，提高電池的性能。對不同活性層鈣鈦礦太陽能電池測試參數(shù)的研究，對于推動鈣鈦礦太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化進程具有重要的現(xiàn)實意義。通過深入了解活性層對電池性能的影響機制，優(yōu)化活性層材料和制備工藝，可以提高電池的性能和穩(wěn)定性，降低成本，增強鈣鈦礦太陽能電池在市場上的競爭力，加速其從實驗室研究走向大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。1.2研究目的與內(nèi)容本研究旨在深入剖析不同活性層的鈣鈦礦太陽能電池測試參數(shù)，系統(tǒng)探究活性層材料特性對電池性能的影響機制，進而提出針對性的優(yōu)化策略，以推動鈣鈦礦太陽能電池性能的提升和商業(yè)化進程。具體研究內(nèi)容涵蓋以下幾個關(guān)鍵方面：不同活性層材料特性研究：對常見的鹵化物鈣鈦礦材料，如甲胺鉛碘（CH_3NH_3PbI_3，MAPbI?）、甲脒鉛碘（HC(NH_2)_2PbI_3，F(xiàn)APbI?）、銫鉛碘（CsPbI_3）等，以及無鉛鈣鈦礦材料的晶體結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)進行全面且深入的研究。通過X射線衍射（XRD）精確分析晶體結(jié)構(gòu)，借助紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）、光致發(fā)光光譜（PL）等手段詳細研究光學(xué)性質(zhì)，運用霍爾效應(yīng)測試、載流子遷移率測試等方法深入探究電學(xué)性質(zhì)。同時，深入研究材料的穩(wěn)定性，包括在不同溫度、濕度、光照等環(huán)境條件下的穩(wěn)定性，以及材料的合成方法和工藝對其性能的影響，為后續(xù)的電池性能研究提供堅實的理論基礎(chǔ)?；钚詫訉﹄姵匦阅苡绊懷芯浚褐攸c研究不同活性層對鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率、開路電壓、短路電流、填充因子等關(guān)鍵性能指標(biāo)的影響。深入分析活性層的厚度、結(jié)晶質(zhì)量、缺陷密度等因素對電池性能的影響機制。例如，研究活性層厚度對光吸收和載流子傳輸?shù)挠绊?，?dāng)活性層過薄時，光吸收不足，導(dǎo)致短路電流降低；而活性層過厚，載流子傳輸距離增加，復(fù)合幾率增大，同樣會降低電池性能。通過掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）等微觀表征手段，研究活性層的形貌和微觀結(jié)構(gòu)對電池性能的影響，揭示活性層與電荷傳輸層之間的界面特性對電池性能的影響機制，如界面能級匹配、界面缺陷等因素對載流子傳輸和復(fù)合的影響?；跍y試參數(shù)的性能優(yōu)化策略研究：依據(jù)不同活性層鈣鈦礦太陽能電池的測試參數(shù)，深入探究提高電池性能的優(yōu)化策略。在材料優(yōu)化方面，通過元素摻雜、合金化等手段對活性層材料進行改性，以優(yōu)化材料的能帶結(jié)構(gòu)、提高載流子遷移率、降低缺陷密度，從而提升電池性能。例如，在MAPbI?中摻雜銫（Cs）離子，可以改善材料的穩(wěn)定性和光電性能；在FAPbI?中引入溴（Br）離子，形成FA_{1-x}MA_xPb(I_{1-y}Br_y)_3混合鹵化物鈣鈦礦，可調(diào)節(jié)材料的帶隙，提高對不同波長光的吸收效率。在制備工藝優(yōu)化方面，研究不同的制備工藝，如溶液旋涂法、氣相沉積法、刮涂法等對活性層質(zhì)量和電池性能的影響，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，如溶液濃度、旋涂速度、退火溫度和時間等，改善活性層的結(jié)晶質(zhì)量和形貌，減少缺陷，提高電池性能。同時，研究界面修飾技術(shù)，如在活性層與電荷傳輸層之間引入緩沖層或界面修飾劑，改善界面特性，提高載流子傳輸效率，降低界面復(fù)合，進一步提升電池性能。1.3研究方法與創(chuàng)新點本研究綜合運用多種研究方法，從實驗、理論模擬以及文獻研究等多個維度，深入探究不同活性層鈣鈦礦太陽能電池的測試參數(shù)及其性能影響機制。在實驗研究方面，精心設(shè)計并開展一系列實驗，以全面獲取不同活性層鈣鈦礦太陽能電池的性能數(shù)據(jù)。通過溶液法、氣相沉積法等多種制備工藝，制備出基于不同活性層材料的鈣鈦礦太陽能電池，如MAPbI?、FAPbI?、CsPbI?以及無鉛鈣鈦礦材料等。在制備過程中，嚴格控制實驗條件，包括溶液濃度、旋涂速度、退火溫度和時間等關(guān)鍵參數(shù)，以確保制備出高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜和電池器件。利用X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）、紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）、光致發(fā)光光譜（PL）、霍爾效應(yīng)測試、載流子遷移率測試等多種先進的材料表征和性能測試技術(shù)，對制備的活性層材料和電池器件進行全面、系統(tǒng)的表征和測試。通過XRD分析活性層材料的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶質(zhì)量；借助SEM和AFM觀察活性層的微觀形貌和表面粗糙度；利用UV-Vis和PL研究活性層的光學(xué)吸收和發(fā)光特性；通過霍爾效應(yīng)測試和載流子遷移率測試獲取活性層的電學(xué)性能參數(shù)。通過這些測試，深入了解活性層材料的特性及其對電池性能的影響。理論模擬也是本研究的重要方法之一。運用密度泛函理論（DFT）、有限元分析等理論模擬方法，從原子和分子層面深入研究活性層材料的電子結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)、電荷傳輸特性等。通過DFT計算，精確模擬不同活性層材料的晶體結(jié)構(gòu)和電子云分布，分析材料的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度，揭示材料的光電轉(zhuǎn)換機制。利用有限元分析方法，對鈣鈦礦太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)進行模擬和優(yōu)化，研究活性層厚度、界面特性等因素對電池內(nèi)部電場分布、載流子傳輸和復(fù)合過程的影響。通過理論模擬，為實驗研究提供理論指導(dǎo)，深入理解實驗現(xiàn)象背后的物理機制，預(yù)測電池性能，為材料設(shè)計和器件優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。文獻研究在本研究中也發(fā)揮著不可或缺的作用。廣泛查閱國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)文獻，全面了解鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及已取得的研究成果。對不同活性層材料的制備方法、性能特點、應(yīng)用前景以及電池器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備工藝、性能優(yōu)化等方面的研究進展進行系統(tǒng)梳理和總結(jié)。通過對文獻的深入分析，借鑒前人的研究經(jīng)驗和方法，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前研究中存在的問題和不足，明確本研究的切入點和創(chuàng)新點，為研究工作的順利開展提供堅實的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。本研究的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是在研究視角上，綜合考慮活性層材料的晶體結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)以及穩(wěn)定性等多方面因素，全面深入地研究其對鈣鈦礦太陽能電池測試參數(shù)和性能的影響，突破了以往研究僅關(guān)注單一或少數(shù)因素的局限。這種多因素綜合研究的視角，能夠更全面、深入地揭示活性層與電池性能之間的內(nèi)在關(guān)系，為電池性能的優(yōu)化提供更全面、準(zhǔn)確的理論依據(jù)。二是在研究方法上，將實驗研究與理論模擬相結(jié)合，充分發(fā)揮實驗研究的直觀性和理論模擬的深入性優(yōu)勢。通過實驗研究獲取真實可靠的實驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)象，通過理論模擬深入分析實驗現(xiàn)象背后的物理機制，實現(xiàn)兩者的相互驗證和補充。這種研究方法的創(chuàng)新，有助于更深入地理解鈣鈦礦太陽能電池的工作原理和性能影響機制，為材料設(shè)計和器件優(yōu)化提供更科學(xué)、有效的指導(dǎo)。三是在研究內(nèi)容上，針對無鉛鈣鈦礦材料這一具有重要研究價值和應(yīng)用前景的領(lǐng)域，開展了深入的研究。無鉛鈣鈦礦材料由于其環(huán)境友好性，被認為是解決鈣鈦礦太陽能電池中鉛污染問題的關(guān)鍵。本研究對無鉛鈣鈦礦材料的性能進行了系統(tǒng)研究，為其在鈣鈦礦太陽能電池中的應(yīng)用提供了重要的理論和實驗基礎(chǔ)，具有重要的學(xué)術(shù)意義和實際應(yīng)用價值。二、鈣鈦礦太陽電池概述2.1鈣鈦礦太陽電池的基本結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽電池屬于典型的三明治疊層結(jié)構(gòu)，從下至上依次為透明導(dǎo)電氧化物（TCO）基底、電子傳輸層（ETL）、鈣鈦礦活性層、空穴傳輸層（HTL）以及金屬或碳基背電極。各組成部分緊密協(xié)作，共同實現(xiàn)了將太陽能高效轉(zhuǎn)化為電能的過程。TCO基底作為電池的起始層，是整個電池結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)支撐。其主要由具有高透光率、良好導(dǎo)電性能和霧度控制的透明導(dǎo)電氧化物鍍膜玻璃制成，常見的如氟摻雜氧化錫（FTO）玻璃或氧化銦錫（ITO）玻璃。在電池工作過程中，TCO基底確保太陽光能夠順利透過，抵達鈣鈦礦活性層，為光電轉(zhuǎn)換提供充足的光子；同時，它作為電子傳輸?shù)闹匾ǖ?，能夠有效收集由鈣鈦礦層產(chǎn)生的電流，為后續(xù)的電流輸出奠定基礎(chǔ)。電子傳輸層位于TCO基底之上，在鈣鈦礦電池的電荷傳輸過程中扮演著關(guān)鍵角色。其主要功能是高效收集鈣鈦礦活性層在光照下產(chǎn)生的電子，并將這些電子快速傳輸至底部電極。這一過程要求電子傳輸層具備優(yōu)異的電子傳輸性能，以減少電子在傳輸過程中的損失。同時，它還需具備阻擋底部電極中金屬離子向鈣鈦礦層擴散的能力，從而保護鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，防止因金屬離子擴散導(dǎo)致的電池性能衰退。常見的電子傳輸層材料有TiO?、ZnO、SnO?等，這些材料通過溶膠-凝膠法、磁控濺射、化學(xué)氣相沉積等手段制備而成，以實現(xiàn)與鈣鈦礦層之間良好的能級匹配，提高器件的整體性能。鈣鈦礦活性層是鈣鈦礦太陽電池的核心部分，也是實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵所在。其晶體結(jié)構(gòu)為ABX?，其中A為有機陽離子，如CH?NH??（甲胺離子）、NH?CH=NH??（甲脒離子）等；B為金屬陽離子，主要有Pb2?（鉛離子）、Sn2?（錫離子）等；X為鹵素陰離子，如I?（碘離子）、Br?（溴離子）、Cl?（氯離子）等。鈣鈦礦材料具有優(yōu)異的光吸收性能，能夠高效吸收太陽光中的光子，產(chǎn)生激子（電子-空穴對）。同時，其還具備出色的電荷分離能力，在光照條件下，激子能夠迅速分離為自由電子和空穴，為后續(xù)的電荷傳輸和電流產(chǎn)生提供載流子。此外，鈣鈦礦材料還具有長的載流子擴散長度和高的載流子遷移率，使得光生載流子能夠在材料內(nèi)部高效傳輸，減少復(fù)合損失，從而提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率?？昭▊鬏攲游挥阝}鈦礦光吸收層之上，其主要功能是收集鈣鈦礦層產(chǎn)生的空穴，并將這些空穴傳輸至金屬或碳基背電極?？昭▊鬏攲硬牧系倪x擇對于提高太陽能電池的性能至關(guān)重要。常見的空穴傳輸層材料包括Spiro-MeOTAD、PEDOT:PSS和CuSCN等。這些材料需要具備高的空穴遷移率，以確保空穴能夠快速傳輸；同時，其能級需要與鈣鈦礦吸光層相匹配，以促進空穴的有效注入和傳輸。此外，空穴傳輸層還起到防止鈣鈦礦層與電極直接接觸引起電池內(nèi)部電路短路的作用，保證電池的正常工作。金屬或碳基背電極是鈣鈦礦太陽電池的最后一層，也是電流輸出的關(guān)鍵部分。金屬電極通常選用穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性強的金屬材料，如金（Au）和銀（Ag）等，其主要作用是收集由空穴傳輸層傳輸來的空穴，并與透明導(dǎo)電氧化物基底形成完整的電流回路，從而實現(xiàn)電流的輸出。碳基電極則因其成本低、制備工藝簡單等優(yōu)勢而受到關(guān)注，在一些研究中被用于替代金屬電極，以降低電池成本，推動鈣鈦礦太陽電池的產(chǎn)業(yè)化進程。2.2鈣鈦礦太陽電池的工作原理鈣鈦礦太陽電池的工作過程本質(zhì)上是將光能轉(zhuǎn)化為電能的過程，這一過程涉及多個復(fù)雜的物理步驟，主要包括光生載流子的產(chǎn)生、傳輸以及收集。當(dāng)太陽光照射到鈣鈦礦太陽電池時，首先是光吸收過程。鈣鈦礦活性層材料具有獨特的晶體結(jié)構(gòu)和電子特性，其晶體結(jié)構(gòu)為ABX?，其中A位的有機陽離子（如CH?NH??、NH?CH=NH??等）和B位的金屬陽離子（如Pb2?、Sn2?等）與X位的鹵素陰離子（如I?、Br?、Cl?等）共同構(gòu)成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)賦予了鈣鈦礦材料優(yōu)異的光吸收性能，其吸收系數(shù)高達10?cm?1數(shù)量級。當(dāng)光子能量大于鈣鈦礦材料的帶隙時，鈣鈦礦活性層能夠有效地吸收光子，使電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生激子，即電子-空穴對。例如，在常見的甲胺鉛碘（MAPbI?）鈣鈦礦中，其帶隙約為1.55eV，能夠吸收大部分可見光范圍內(nèi)的光子，產(chǎn)生大量的電子-空穴對。產(chǎn)生的激子在鈣鈦礦活性層內(nèi)會發(fā)生擴散。鈣鈦礦材料具有長的激子擴散長度，通?？蛇_幾百納米甚至微米級別。這使得激子在擴散過程中發(fā)生復(fù)合的幾率相對較小，能夠較為順利地擴散到鈣鈦礦活性層與電荷傳輸層的界面處。例如，在高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜中，激子擴散長度可以達到1μm以上，這為激子的有效解離和載流子的傳輸提供了有利條件。當(dāng)激子擴散到鈣鈦礦活性層與電荷傳輸層的界面時，會發(fā)生解離。由于鈣鈦礦材料的激子結(jié)合能較低，一般在50-200meV之間，在界面處的內(nèi)建電場作用下，激子很容易解離成為自由電子和空穴。這些自由載流子隨后進入電荷傳輸過程，自由電子通過電子傳輸層向陰極傳輸，自由空穴通過空穴傳輸層向陽極傳輸。在這個過程中，電子傳輸層和空穴傳輸層的性能起著關(guān)鍵作用。電子傳輸層需要具備高的電子遷移率和合適的能級結(jié)構(gòu)，以確保電子能夠快速、高效地傳輸，同時阻擋空穴向陰極方向移動，減少電子-空穴對的復(fù)合。常見的電子傳輸層材料如TiO?、ZnO、SnO?等，它們的電子遷移率較高，能夠滿足電子傳輸?shù)囊??？昭▊鬏攲觿t需要具備高的空穴遷移率和與鈣鈦礦吸光層相匹配的能級，以促進空穴的有效傳輸，并阻擋電子在該層的遷移。例如，Spiro-MeOTAD是一種常用的空穴傳輸層材料，其具有較高的空穴遷移率和合適的能級，能夠有效地傳輸空穴。自由電子通過電子傳輸層后被陰極層收集，自由空穴通過空穴傳輸層后被陽極層收集，兩極之間形成電勢差。當(dāng)電池與外加負載構(gòu)成閉合回路時，回路中就會形成電流，從而實現(xiàn)了將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的過程。在這個過程中，電極的導(dǎo)電性和與電荷傳輸層的接觸性能也會影響電池的性能。金屬電極如金（Au）、銀（Ag）等具有良好的導(dǎo)電性，能夠有效地收集電荷。而碳基電極則因其成本低、制備工藝簡單等優(yōu)勢，在一些研究中被用于替代金屬電極，以降低電池成本。2.3鈣鈦礦太陽電池的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展歷程雖然短暫，但卻充滿了突破性的進展，展現(xiàn)出了強大的發(fā)展?jié)摿Α?009年，日本科學(xué)家小島清（Kojima）和宮坂力（Miyasaka）首次將鈣鈦礦材料應(yīng)用于染料敏化太陽能電池中，使用碘化鉛甲胺（CH_3NH_3PbI_3）和溴化鉛甲胺（CH_3NH_3PbBr_3）作為新型光敏化劑，取代傳統(tǒng)的染料，成功制備出全球第一個具有光電轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦太陽能電池器件，盡管其轉(zhuǎn)換效率僅為3.8%，有效面積0.24平方厘米，且穩(wěn)定性較差，僅能穩(wěn)定幾分鐘，但這一開創(chuàng)性的工作為鈣鈦礦太陽能電池的后續(xù)發(fā)展奠定了基石，開啟了鈣鈦礦太陽能電池研究的新紀元。2011年，韓國成均館大學(xué)的樸南圭（Nam-GyuPark）課題組通過技術(shù)改進，使用原位生長法，將鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升至6.54%。然而，此時的電池仍采用液態(tài)電解質(zhì)，這導(dǎo)致材料穩(wěn)定性不佳，在幾分鐘后效率便大幅削減了80%，限制了其進一步發(fā)展。2012年是鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展的關(guān)鍵一年，取得了多項重要突破。樸南圭團隊首次報告了效率接近10%的全固態(tài)有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池，這一成果解決了液態(tài)電解質(zhì)帶來的穩(wěn)定性問題，被認為是鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展歷程中的里程碑式工作。同年，英國的亨利?斯奈斯（HenrySnaith）團隊首次在鈣鈦礦活性層中添加了Cl元素，不僅證明了鈣鈦礦不僅可作為光吸收層，還可作為電子傳輸層，而且將鈣鈦礦太陽能電池效率提升至10.9%，進一步拓展了鈣鈦礦材料在電池中的應(yīng)用方式和性能提升空間。2013年，鈣鈦礦被《Science》期刊評為年度十大科學(xué)突破之一，被譽為“新一代太陽能電池材料”，受到了全球科研人員的廣泛關(guān)注。瑞士的Gr?tzel課題組首次采用兩步法沉積制備鈣鈦礦薄膜，該方法有效改善了鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量和性能，最終將電池效率首次提升至15%，為鈣鈦礦太陽能電池效率的進一步提升提供了新的制備工藝思路。斯奈斯等人采用共蒸發(fā)方法制備鈣鈦礦薄膜，形成了一種全新的平面異質(zhì)結(jié)電池，效率達到15.4%，這種新型的電池結(jié)構(gòu)和制備方法引起了世界矚目，推動了鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)和制備工藝的創(chuàng)新發(fā)展。2014年，韓國化學(xué)技術(shù)研究所（KRICT）的SangIlSeok課題組制備出認證效率為17.9%的鈣鈦礦電池，同年他們采用了一種新的液相沉積制備工藝，最終將光電轉(zhuǎn)換效率提高到20.1%，再次刷新了鈣鈦礦太陽能電池的效率記錄，展示了液相沉積工藝在提升電池性能方面的潛力。2015年，韓國Seok領(lǐng)導(dǎo)的課題組經(jīng)過對材料的比例進行優(yōu)化，制備出了效率達20.1%的太陽能電池，進一步驗證了材料比例優(yōu)化對電池性能的重要影響。2016年，韓國的蔚山科技大學(xué)（UNIST）聯(lián)合化學(xué)技術(shù)研究所，共同研究制備了效率高達22.1%的電池器件，持續(xù)推動著鈣鈦礦太陽能電池效率的提升。2017年，Wu等人開發(fā)了一種添加劑輔助法，最終制備了效率達到19.19%的鈣鈦礦太陽能電池，為鈣鈦礦太陽能電池的制備提供了新的添加劑策略。2018年，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的游經(jīng)碧課題組提出了新的方法，首次把鈣鈦礦太陽能電池的效率提升至23.3%，不久后再次打破紀錄，達到23.7%，并且連續(xù)兩次被美國國家可再生能源實驗室（NREL）發(fā)表的《BestResearch-CellEfficiencies》收錄，彰顯了中國科研團隊在鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域的創(chuàng)新能力和研究成果。2019年，韓國化學(xué)技術(shù)研究所Seok課題組利用溶液旋涂法，制備出的單結(jié)鈣鈦礦電池獲得了高達24.2%的光電轉(zhuǎn)換效率。此后不久，同一小組再次將鈣鈦礦太陽能電池的效率記錄刷新，獲得了最高的效率為26.08%，經(jīng)過認證后效率為25.7%，展示了溶液旋涂法在制備高效鈣鈦礦太陽能電池方面的優(yōu)勢。2023年7月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的徐集賢教授團隊實現(xiàn)了26.1%的光電轉(zhuǎn)換效率，再次刷新了單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池的效率紀錄，體現(xiàn)了中國在鈣鈦礦太陽能電池研究領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。在疊層鈣鈦礦電池方面，也取得了顯著的進展。2023年11月，經(jīng)NREL認證，隆基綠能自主研發(fā)的晶硅-鈣鈦礦疊層電池效率達到33.9%，創(chuàng)造了當(dāng)時全球晶硅-鈣鈦礦疊層電池效率的最高紀錄。2024年10月，南京大學(xué)譚海仁教授團隊、仁爍光能（蘇州）有限公司制備的1.05平方厘米的全鈣鈦礦疊層太陽能電池穩(wěn)態(tài)光電轉(zhuǎn)換效率達28.2%，刷新了該尺度全鈣鈦礦疊層太陽能電池的世界紀錄，相關(guān)結(jié)果已被收錄到國際權(quán)威的《太陽能電池效率表》。此外，譚海仁團隊在制備0.05平方厘米小面積全鈣鈦礦疊層太陽能電池中接連取得突破，其光電轉(zhuǎn)換效率最高已達30.1%。鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池也取得了重要成果，中國科學(xué)院化學(xué)研究所、北京分子科學(xué)國家研究中心李永舫/孟磊團隊與德國波茨坦大學(xué)FelixLang教授等合作，實現(xiàn)了26.4%的光電轉(zhuǎn)化效率（經(jīng)第三方認證為25.7%），為該類疊層太陽能電池的最高效率。目前，鈣鈦礦太陽能電池的研究熱點主要集中在以下幾個方面：一是進一步提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率，通過材料創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和制備工藝改進等手段，突破現(xiàn)有效率瓶頸，向更高的理論效率極限邁進。例如，研究新型的鈣鈦礦材料，探索更優(yōu)化的材料組合和摻雜方式，以改善材料的光電性能；設(shè)計更合理的電池結(jié)構(gòu)，如采用多結(jié)疊層結(jié)構(gòu)，充分利用不同波長的太陽光，提高太陽能的利用效率；改進制備工藝，提高鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量和均勻性，減少缺陷，提高載流子的傳輸效率。二是提升電池的穩(wěn)定性，解決鈣鈦礦材料在光照、溫度、濕度等環(huán)境因素下的穩(wěn)定性問題，這是實現(xiàn)其商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。研究人員通過對鈣鈦礦材料的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成進行優(yōu)化，引入穩(wěn)定劑、封裝技術(shù)等手段，提高電池的穩(wěn)定性和壽命。三是降低成本，研究更經(jīng)濟、環(huán)保的制備工藝和材料，提高電池的性價比，增強其在市場上的競爭力。例如，探索使用低成本的原材料和制備工藝，如溶液法、印刷法等，降低生產(chǎn)成本；研究無鉛鈣鈦礦材料，解決鉛污染問題，實現(xiàn)環(huán)境友好型的電池制備。在應(yīng)用方面，鈣鈦礦太陽能電池具有廣泛的應(yīng)用前景。其可應(yīng)用于光伏產(chǎn)業(yè)，包括建筑一體化光伏（BIPV）、分布式電站和地面電站等。在BIPV領(lǐng)域，鈣鈦礦太陽能電池可以與建筑材料相結(jié)合，如制成光伏玻璃、光伏屋頂?shù)?，實現(xiàn)建筑的綠色能源供應(yīng)；在分布式電站和地面電站中，鈣鈦礦太陽能電池以其高效率和低成本潛力，有望成為傳統(tǒng)晶硅太陽能電池的有力補充。鈣鈦礦太陽能電池還可應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域，如作為光伏車頂材料，為汽車提供額外的電力供應(yīng)，減少對傳統(tǒng)能源的依賴。其還可應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域，為這些設(shè)備提供靈活、高效的能源解決方案。隨著研究的不斷深入和技術(shù)的不斷進步，鈣鈦礦太陽能電池在未來的能源領(lǐng)域?qū)l(fā)揮越來越重要的作用。三、不同活性層鈣鈦礦太陽電池的分類及特性3.1有機-無機雜化鈣鈦礦活性層有機-無機雜化鈣鈦礦活性層是最早被研究和應(yīng)用的鈣鈦礦活性層類型，在鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展歷程中占據(jù)著重要地位。其化學(xué)式通常為ABX_3，其中A位為有機陽離子，常見的有甲胺離子（CH_3NH_3^+，MA）、甲脒離子（HC(NH_2)_2^+，F(xiàn)A）；B位為金屬陽離子，主要是鉛離子（Pb^{2+}）；X位為鹵素陰離子，如碘離子（I^-）、溴離子（Br^-）、氯離子（Cl^-）等。這種獨特的結(jié)構(gòu)使其兼具了有機材料和無機材料的優(yōu)點，展現(xiàn)出優(yōu)異的光電性能。甲胺鉛碘（CH_3NH_3PbI_3，MAPbI?）是最為典型的有機-無機雜化鈣鈦礦材料之一。它具有合適的光學(xué)帶隙，約為1.55eV，這使得它能夠有效地吸收可見光范圍內(nèi)的光子，為光生載流子的產(chǎn)生提供充足的能量。其吸收系數(shù)高達10^5cm^{-1}數(shù)量級，意味著在較薄的厚度下就能充分吸收太陽光，提高光的利用率。在室溫下，MAPbI?的載流子擴散長度可達到1μm以上，載流子遷移率較高，這使得光生載流子能夠在材料內(nèi)部高效傳輸，減少復(fù)合損失，從而提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。MAPbI?的制備工藝相對簡單，可采用溶液旋涂、刮涂等方法制備成薄膜，這為大規(guī)模制備鈣鈦礦太陽能電池提供了便利。甲脒鉛碘（HC(NH_2)_2PbI_3，F(xiàn)APbI?）也是一種重要的有機-無機雜化鈣鈦礦材料。與MAPbI?相比，F(xiàn)APbI?具有更接近理想的帶隙，約為1.48eV，這使得它能夠吸收更寬范圍的太陽光，理論上具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率潛力。FAPbI?的晶體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，在高溫和光照條件下的穩(wěn)定性優(yōu)于MAPbI?。然而，F(xiàn)APbI?在制備過程中容易出現(xiàn)雜質(zhì)相，影響其性能的穩(wěn)定性和重復(fù)性，這是目前需要解決的關(guān)鍵問題之一。有機-無機雜化鈣鈦礦活性層的優(yōu)點顯著。在光電性能方面，其高吸收系數(shù)和長載流子擴散長度使其能夠有效地吸收太陽光并將其轉(zhuǎn)化為電能，具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。其制備工藝簡單，成本相對較低，可采用溶液加工方法，如旋涂、刮涂、噴墨打印等，這些方法不需要復(fù)雜的設(shè)備和高昂的成本，適合大規(guī)模制備。有機-無機雜化鈣鈦礦活性層還具有一定的柔韌性，可制備在柔性基底上，實現(xiàn)柔性太陽能電池的制備，拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域。然而，有機-無機雜化鈣鈦礦活性層也存在一些缺點。其穩(wěn)定性是一個主要問題，由于有機陽離子的存在，在高溫、高濕度和光照等條件下，容易發(fā)生分解和降解，導(dǎo)致電池性能下降。有機-無機雜化鈣鈦礦材料中的鉛元素具有毒性，對環(huán)境和人體健康存在潛在危害，這限制了其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。在實際應(yīng)用中，需要采取有效的封裝和回收措施，以減少鉛的泄漏和污染。3.2全無機鈣鈦礦活性層全無機鈣鈦礦活性層在鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展中展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢和潛力，其結(jié)構(gòu)通式為ABX_3，其中A位通常為銫離子（Cs^+），B位為金屬陽離子，常見的有鉛離子（Pb^{2+}），X位為鹵素陰離子，如碘離子（I^-）、溴離子（Br^-）、氯離子（Cl^-）等。與有機-無機雜化鈣鈦礦活性層相比，全無機鈣鈦礦活性層由于不存在有機陽離子，在穩(wěn)定性方面具有顯著的優(yōu)勢。銫鉛碘（CsPbI_3）是一種典型的全無機鈣鈦礦材料。它具有較高的熱穩(wěn)定性，在高溫環(huán)境下不易分解，這是因為其晶體結(jié)構(gòu)中不存在易揮發(fā)的有機陽離子，避免了因有機陽離子分解而導(dǎo)致的材料結(jié)構(gòu)破壞。在濕度穩(wěn)定性方面，CsPbI_3也表現(xiàn)出色，能夠在一定濕度條件下保持結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定，減少了因水分侵入而引起的性能衰退問題。這些穩(wěn)定性優(yōu)勢使得基于CsPbI_3的鈣鈦礦太陽能電池在實際應(yīng)用中具有更長的使用壽命和更可靠的性能表現(xiàn)。在光電性能方面，CsPbI_3的帶隙約為1.73eV，相較于有機-無機雜化鈣鈦礦材料，其帶隙相對較寬。這意味著它對光的吸收范圍主要集中在藍光和綠光區(qū)域，對紅光和近紅外光的吸收能力較弱。在載流子傳輸特性上，CsPbI_3具有較高的載流子遷移率和較長的載流子擴散長度，能夠有效地傳輸光生載流子，減少載流子復(fù)合，從而提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。通過優(yōu)化制備工藝和材料結(jié)構(gòu)，可以進一步提高CsPbI_3的光電性能。例如，采用溶液法制備CsPbI_3薄膜時，通過控制溶液濃度、旋涂速度和退火溫度等參數(shù)，可以改善薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和形貌，減少缺陷密度，提高載流子的傳輸效率。全無機鈣鈦礦活性層的制備工藝也在不斷發(fā)展和完善。常見的制備方法包括溶液法、氣相沉積法等。溶液法具有成本低、制備工藝簡單等優(yōu)點，適合大規(guī)模制備。在溶液法中，通過精確控制前驅(qū)體溶液的濃度、溶劑的選擇以及添加劑的使用，可以調(diào)控鈣鈦礦薄膜的生長過程，獲得高質(zhì)量的薄膜。氣相沉積法則可以制備出高質(zhì)量、均勻性好的鈣鈦礦薄膜，但其設(shè)備昂貴，制備成本較高。通過將不同的制備方法相結(jié)合，如先采用溶液法制備前驅(qū)體薄膜，再通過氣相沉積進行后處理，可以綜合兩種方法的優(yōu)點，進一步提高鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量和性能。與有機-無機雜化鈣鈦礦活性層相比，全無機鈣鈦礦活性層在穩(wěn)定性上具有明顯優(yōu)勢，能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境條件。然而，在光電性能方面，由于其帶隙較寬，對光的吸收范圍相對較窄，導(dǎo)致其短路電流密度相對較低，在一定程度上限制了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。通過對全無機鈣鈦礦材料進行元素摻雜、合金化等改性處理，可以調(diào)節(jié)其帶隙和光電性能，拓展其光吸收范圍，提高電池的性能。在未來的研究中，需要進一步優(yōu)化全無機鈣鈦礦活性層的制備工藝和材料性能，解決其在光電性能和制備成本等方面的問題，以推動其在鈣鈦礦太陽能電池中的廣泛應(yīng)用。3.3混合陽離子/混合鹵化物鈣鈦礦活性層混合陽離子/混合鹵化物鈣鈦礦活性層是在有機-無機雜化鈣鈦礦和全無機鈣鈦礦的基礎(chǔ)上，通過元素替換和組合發(fā)展而來的新型活性層材料，其在提升鈣鈦礦太陽能電池性能方面展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。在混合陽離子鈣鈦礦中，通常會引入多種有機或無機陽離子，以優(yōu)化材料的性能。例如，在甲胺鉛碘（MAPbI?）中引入甲脒離子（FA?）和銫離子（Cs?），形成(FA?MA???)???Cs?PbI?混合陽離子鈣鈦礦。這種陽離子的替換具有多方面的作用。從晶體結(jié)構(gòu)角度來看，不同陽離子的半徑和電荷分布不同，引入新的陽離子可以調(diào)節(jié)鈣鈦礦晶體的晶格參數(shù)和晶體結(jié)構(gòu)，從而改善晶體的穩(wěn)定性。FA?的半徑比MA?大，引入FA?可以擴大晶格，使晶體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。Cs?的引入則可以填充晶格間隙，進一步增強晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在光電性能方面，陽離子的替換可以調(diào)節(jié)材料的能帶結(jié)構(gòu)，優(yōu)化光吸收和載流子傳輸性能。研究表明，適量的FA?和Cs?摻雜可以提高材料的光吸收效率，拓寬光吸收范圍，同時改善載流子的遷移率和擴散長度，從而提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。寧夏大學(xué)的張立來等人采用一步溶液法制備了鈣鈦礦太陽能電池器件，研究發(fā)現(xiàn)甲脒基（FA）及Cs離子摻雜改善了鈣鈦礦的成膜性以及薄膜的表面形貌，有效降低了鈣鈦礦晶體的缺陷密度，將器件的光電轉(zhuǎn)化效率由10.29%提升至12.49%。混合鹵化物鈣鈦礦則是通過引入不同的鹵素陰離子來實現(xiàn)性能優(yōu)化。常見的是在碘基鈣鈦礦中引入溴（Br?）或氯（Cl?），形成混合鹵化物鈣鈦礦，如MAPb(I???Br?)?。鹵素陰離子的替換對材料的光學(xué)和電學(xué)性能有顯著影響。在光學(xué)性能方面，不同鹵素的電負性和原子半徑不同，引入不同鹵素會改變材料的能帶結(jié)構(gòu)，從而調(diào)節(jié)材料的帶隙。隨著Br?含量的增加，MAPb(I???Br?)?的帶隙逐漸增大，光吸收范圍向短波方向移動。這種帶隙的調(diào)節(jié)使得混合鹵化物鈣鈦礦能夠更好地匹配太陽光譜，提高對不同波長光的吸收效率，從而提升電池的光電轉(zhuǎn)換效率。在電學(xué)性能方面，鹵素陰離子的替換還會影響載流子的傳輸和復(fù)合過程。適當(dāng)?shù)柠u素摻雜可以改善載流子的遷移率和壽命，減少載流子復(fù)合，提高電池的性能?；旌详栯x子/混合鹵化物鈣鈦礦活性層的研究成果在實際應(yīng)用中展現(xiàn)出了良好的前景。在穩(wěn)定性方面，通過合理的陽離子和鹵素組合，能夠有效提高鈣鈦礦材料的熱穩(wěn)定性、濕度穩(wěn)定性和光照穩(wěn)定性。例如，(FA?.??MA?.??)?.??Cs?.??Pb(I?.??Br?.??)?混合陽離子/混合鹵化物鈣鈦礦在高溫和高濕度條件下的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的MAPbI?，這使得基于該材料的鈣鈦礦太陽能電池在實際應(yīng)用中的使用壽命得以延長。在光電轉(zhuǎn)換效率方面，混合陽離子/混合鹵化物鈣鈦礦太陽能電池也取得了顯著的提升。目前，基于混合陽離子/混合鹵化物鈣鈦礦活性層的鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達到了較高的水平，部分研究成果的效率超過了25%，接近甚至超過了一些傳統(tǒng)的太陽能電池技術(shù)。然而，混合陽離子/混合鹵化物鈣鈦礦活性層在實際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)。在制備工藝方面，精確控制不同陽離子和鹵素的比例以及分布是一個關(guān)鍵問題，制備過程中的微小差異可能會導(dǎo)致材料性能的顯著變化，影響電池性能的穩(wěn)定性和重復(fù)性。在長期穩(wěn)定性方面，盡管相較于傳統(tǒng)的鈣鈦礦材料有了一定的提升，但在復(fù)雜的實際應(yīng)用環(huán)境中，仍可能存在性能衰退的問題，需要進一步研究和改進。未來的研究需要在優(yōu)化制備工藝、提高材料的長期穩(wěn)定性以及深入理解材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系等方面展開，以推動混合陽離子/混合鹵化物鈣鈦礦活性層在鈣鈦礦太陽能電池中的廣泛應(yīng)用。四、鈣鈦礦太陽電池的測試參數(shù)及意義4.1光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）作為衡量鈣鈦礦太陽電池性能的核心指標(biāo)，直觀地反映了電池將入射光能轉(zhuǎn)化為電能的能力，在評估電池性能中占據(jù)著舉足輕重的地位。其定義為電池輸出的最大電功率與入射光的光功率之比，通常以百分比的形式呈現(xiàn)。這一參數(shù)是衡量電池性能優(yōu)劣的關(guān)鍵依據(jù)，也是評估電池是否具備實際應(yīng)用價值的重要標(biāo)準(zhǔn)。在實際應(yīng)用中，PCE的計算基于電池的電流-電壓（J-V）曲線。通過測量在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下（通常為光照強度100mW/cm2，光譜為AM1.5G，溫度25℃）電池的J-V曲線，可以獲取到短路電流密度（Jsc）、開路電壓（Voc）和填充因子（FF）等關(guān)鍵參數(shù)，進而通過公式PCE=Jsc×Voc×FF/Pin來計算光電轉(zhuǎn)換效率，其中Pin為入射光功率密度。Jsc代表了在短路條件下，即電池兩端電壓為零時，通過電池單位面積的電流大小，它反映了電池在光照下產(chǎn)生光生載流子并將其有效收集的能力；Voc是在開路狀態(tài)下，即沒有外部負載連接時，電池輸出的最大直流電壓，代表了光生載流子在不受阻礙情況下所達到的最大動力勢能；FF則體現(xiàn)了電池的輸出特性與理想電池的接近程度，它反映了電池在實際工作中能夠輸出的最大功率與理論最大功率之間的差距。PCE受到多種因素的綜合影響，這些因素相互關(guān)聯(lián)，共同決定了電池的光電轉(zhuǎn)換性能。從材料層面來看，鈣鈦礦活性層材料的特性對PCE起著決定性作用。鈣鈦礦材料的光吸收特性是影響PCE的重要因素之一。高吸收系數(shù)的鈣鈦礦材料能夠更有效地吸收太陽光，產(chǎn)生更多的光生載流子，從而為提高短路電流密度奠定基礎(chǔ)。不同的鈣鈦礦材料，如MAPbI?、FAPbI?、CsPbI?等，由于其晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的差異，光吸收特性存在顯著差異。MAPbI?的帶隙約為1.55eV，能夠有效吸收可見光范圍內(nèi)的光子，其吸收系數(shù)高達10?cm?1數(shù)量級，在較薄的厚度下就能充分吸收太陽光，提高光的利用率；而CsPbI?的帶隙約為1.73eV，對光的吸收范圍主要集中在藍光和綠光區(qū)域，對紅光和近紅外光的吸收能力較弱。載流子遷移率和擴散長度也是影響PCE的關(guān)鍵因素。高載流子遷移率和長擴散長度的鈣鈦礦材料能夠使光生載流子在材料內(nèi)部高效傳輸，減少復(fù)合損失，提高電池的開路電壓和填充因子，從而提升光電轉(zhuǎn)換效率。在MAPbI?中，室溫下載流子擴散長度可達到1μm以上，載流子遷移率較高，這使得光生載流子能夠在材料內(nèi)部高效傳輸，減少復(fù)合損失，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。器件的制備工藝對PCE也有著重要影響。鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量與制備工藝密切相關(guān)。在溶液旋涂法制備鈣鈦礦薄膜時，溶液濃度、旋涂速度、退火溫度和時間等工藝參數(shù)會顯著影響薄膜的結(jié)晶質(zhì)量、晶粒尺寸和形貌。合適的溶液濃度和旋涂速度能夠使鈣鈦礦前驅(qū)體在基底上均勻分布，形成高質(zhì)量的薄膜；適當(dāng)?shù)耐嘶饻囟群蜁r間則有助于改善薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，減少缺陷密度，提高載流子的傳輸效率。若退火溫度過高或時間過長，可能導(dǎo)致薄膜過度結(jié)晶，產(chǎn)生大尺寸的晶粒，增加晶界數(shù)量，從而引入更多的缺陷，影響載流子的傳輸；而退火溫度過低或時間過短，則可能導(dǎo)致薄膜結(jié)晶不完全，存在較多的無定形區(qū)域，同樣會降低載流子的傳輸效率，進而影響電池的PCE。界面特性也是影響PCE的重要因素。鈣鈦礦活性層與電荷傳輸層之間的界面能級匹配和界面電阻對載流子的提取和傳輸至關(guān)重要。良好的界面能級匹配能夠促進載流子在界面處的順利傳輸，減少界面處的載流子復(fù)合；而低界面電阻則能夠降低電荷傳輸?shù)淖枇Γ岣咻d流子的收集效率。通過在鈣鈦礦活性層與電荷傳輸層之間引入合適的界面修飾層，可以改善界面特性，提高載流子的傳輸效率，從而提升電池的PCE。在鈣鈦礦/電子傳輸層界面引入自組裝單層，可以有效地降低界面電阻，改善界面能級匹配，提高電子的提取效率，進而提高電池的短路電流密度和填充因子，提升光電轉(zhuǎn)換效率。光照條件對PCE也有顯著影響。光照強度和光譜分布會直接影響電池的短路電流密度。在一定范圍內(nèi)，隨著光照強度的增加，光生載流子的產(chǎn)生速率增加，短路電流密度也隨之增大；但當(dāng)光照強度過高時，可能會導(dǎo)致電池出現(xiàn)光飽和現(xiàn)象，短路電流密度不再增加，甚至可能下降。不同波長的光在鈣鈦礦材料中的吸收系數(shù)不同，因此光源的光譜分布會影響鈣鈦礦太陽能電池對光的吸收和短路電流的大小。選擇與鈣鈦礦材料光吸收特性相匹配的光源光譜分布，能夠提高光的利用效率，進而提升電池的PCE。在實際應(yīng)用中，PCE的高低直接決定了鈣鈦礦太陽電池的發(fā)電能力和經(jīng)濟效益。高PCE的電池能夠在相同的光照條件下產(chǎn)生更多的電能，降低發(fā)電成本，提高能源利用效率。在大規(guī)模光伏發(fā)電站中，使用高PCE的鈣鈦礦太陽電池可以減少電池的使用數(shù)量和占地面積，降低建設(shè)成本，提高發(fā)電效率，從而增強鈣鈦礦太陽電池在市場上的競爭力。在便攜式電子設(shè)備中，高PCE的鈣鈦礦太陽電池可以為設(shè)備提供更持久的電力供應(yīng)，延長設(shè)備的使用時間，提高用戶體驗。PCE作為評估鈣鈦礦太陽電池性能的關(guān)鍵指標(biāo)，對于推動鈣鈦礦太陽電池的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。4.2開路電壓（Voc）開路電壓（Voc）是指在沒有外部負載連接時，鈣鈦礦太陽能電池輸出的最大直流電壓，它代表了光生載流子在不受阻礙情況下所達到的最大動力勢能，是衡量鈣鈦礦太陽能電池性能的重要指標(biāo)之一。當(dāng)電池處于開路狀態(tài)時，光生載流子在電池內(nèi)部積累，形成電場，該電場阻礙光生載流子的進一步產(chǎn)生，直至電場力與光生載流子的擴散力達到平衡，此時電池兩端的電壓即為開路電壓。開路電壓的大小直接影響電池的輸出功率，在其他條件相同的情況下，開路電壓越高，電池能夠輸出的電能就越多，因此提高開路電壓對于提升鈣鈦礦太陽能電池的性能具有重要意義。開路電壓受到多種因素的綜合影響，這些因素相互關(guān)聯(lián)，共同決定了電池的開路電壓大小。從材料特性角度來看，鈣鈦礦材料的帶隙是影響開路電壓的關(guān)鍵因素之一。帶隙決定了光生載流子的能量，一般來說，鈣鈦礦材料的帶隙越大，光生載流子的能量越高，開路電壓也就越高。甲胺鉛碘（MAPbI?）的帶隙約為1.55eV，甲脒鉛碘（FAPbI?）的帶隙約為1.48eV，由于MAPbI?的帶隙相對較大，在其他條件相同的情況下，基于MAPbI?的鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓理論上可能更高。然而，實際情況中，開路電壓還受到其他因素的制約，如載流子復(fù)合等。載流子復(fù)合會導(dǎo)致光生載流子的損失，降低開路電壓。鈣鈦礦材料中的缺陷是導(dǎo)致載流子復(fù)合的重要原因之一，材料中的點缺陷、線缺陷、面缺陷等會形成載流子復(fù)合中心，使光生載流子在傳輸過程中發(fā)生復(fù)合，減少到達電極的載流子數(shù)量，從而降低開路電壓。通過優(yōu)化制備工藝，減少鈣鈦礦材料中的缺陷密度，可以有效降低載流子復(fù)合，提高開路電壓。采用溶液旋涂法制備鈣鈦礦薄膜時，通過精確控制溶液濃度、旋涂速度和退火溫度等參數(shù)，可以改善薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，減少缺陷，提高開路電壓。器件結(jié)構(gòu)對開路電壓也有顯著影響。鈣鈦礦活性層與電荷傳輸層之間的界面特性是影響開路電壓的重要因素之一。良好的界面能級匹配能夠促進載流子在界面處的順利傳輸，減少界面處的載流子復(fù)合，從而提高開路電壓。當(dāng)鈣鈦礦活性層與電子傳輸層的界面能級不匹配時，會形成勢壘，阻礙電子的傳輸，導(dǎo)致電子在界面處積累，增加載流子復(fù)合的幾率，降低開路電壓。通過在鈣鈦礦活性層與電荷傳輸層之間引入合適的界面修飾層，可以改善界面能級匹配，提高開路電壓。在鈣鈦礦/電子傳輸層界面引入自組裝單層，可以有效地降低界面電阻，改善界面能級匹配，提高電子的提取效率，進而提高開路電壓。界面缺陷也會對開路電壓產(chǎn)生負面影響。界面處的缺陷會形成載流子復(fù)合中心，增加載流子復(fù)合的幾率，降低開路電壓。通過表面鈍化等方法，可以減少界面缺陷，提高開路電壓。使用有機鹵化銨鹽對鈣鈦礦表面進行鈍化，可以有效減少表面缺陷，提高開路電壓。光照強度和溫度等外部條件也會對開路電壓產(chǎn)生影響。在一定范圍內(nèi)，光照強度增加，光生載流子的產(chǎn)生速率增加，開路電壓也會相應(yīng)提高。當(dāng)光照強度過高時，可能會導(dǎo)致電池出現(xiàn)光飽和現(xiàn)象，開路電壓不再增加，甚至可能下降。溫度對開路電壓的影響較為復(fù)雜，一般來說，溫度升高，載流子的熱運動加劇，載流子復(fù)合幾率增加，開路電壓會降低。在高溫環(huán)境下，鈣鈦礦材料中的離子遷移加劇，可能導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)的變化和缺陷的產(chǎn)生，進一步降低開路電壓。在實際應(yīng)用中，需要考慮光照強度和溫度等外部條件對開路電壓的影響，采取相應(yīng)的措施來優(yōu)化電池性能。在高溫環(huán)境下，可以通過散熱等方式降低電池溫度，減少溫度對開路電壓的負面影響；在不同光照強度下，可以通過調(diào)整電池的工作狀態(tài)，如采用最大功率點跟蹤技術(shù)，使電池在不同光照條件下都能輸出較高的功率。4.3短路電流密度（Jsc）短路電流密度（Jsc）是指在太陽能電池短路狀態(tài)下，即電池兩端電壓為零時，通過電池單位面積的電流大小，單位通常為mA/cm2。它是衡量鈣鈦礦太陽能電池性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，直接反映了電池在光照條件下產(chǎn)生光生載流子并將其有效收集的能力，在評估電池性能方面具有重要意義。從物理原理角度來看，短路電流密度與光吸收和載流子傳輸過程密切相關(guān)。當(dāng)太陽光照射到鈣鈦礦太陽能電池時，鈣鈦礦活性層吸收光子，產(chǎn)生電子-空穴對。這些光生載流子在電場的作用下，分別向電池的兩極傳輸，形成電流。短路電流密度的大小取決于光生載流子的產(chǎn)生速率、傳輸效率以及復(fù)合情況。在理想情況下，所有產(chǎn)生的光生載流子都能被有效收集并傳輸?shù)诫姌O，此時短路電流密度達到最大值。但在實際情況中，由于各種因素的影響，總會存在一定程度的載流子復(fù)合，導(dǎo)致短路電流密度低于理論最大值。鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量對短路電流密度有著顯著影響。鈣鈦礦薄膜的晶體結(jié)構(gòu)是影響載流子產(chǎn)生和傳輸?shù)闹匾蛩刂?。高質(zhì)量的鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)有利于載流子的產(chǎn)生和傳輸。具有合適的晶粒尺寸、取向和結(jié)晶度的鈣鈦礦薄膜，能夠減少晶界缺陷和載流子復(fù)合中心，從而提高短路電流密度。較大的晶粒尺寸可以減少晶界數(shù)量，降低載流子在晶界處的復(fù)合幾率，使載流子能夠更順利地傳輸。通過優(yōu)化制備工藝，如控制溶液濃度、旋涂速度和退火溫度等參數(shù)，可以改善鈣鈦礦薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，提高其結(jié)晶質(zhì)量，進而提高短路電流密度。采用溶液旋涂法制備鈣鈦礦薄膜時，合適的溶液濃度和旋涂速度能夠使鈣鈦礦前驅(qū)體在基底上均勻分布，形成高質(zhì)量的薄膜；適當(dāng)?shù)耐嘶饻囟群蜁r間則有助于改善薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，減少缺陷，提高載流子的傳輸效率，從而提高短路電流密度。薄膜厚度也是影響短路電流密度的重要因素。在一定范圍內(nèi)，增加鈣鈦礦薄膜厚度可以增加光吸收，進而提高短路電流密度。因為薄膜厚度增加，意味著更多的光子能夠被吸收，產(chǎn)生更多的光生載流子。當(dāng)薄膜厚度過大時，也會帶來一些負面影響。隨著薄膜厚度的增加，載流子傳輸距離增大，載流子在傳輸過程中與缺陷和晶界的碰撞幾率增加，導(dǎo)致載流子復(fù)合增加，同時電場分布也會變得不均勻，這些因素都會使短路電流密度降低。在實際應(yīng)用中，需要通過實驗和理論模擬等方法，確定最佳的鈣鈦礦薄膜厚度，以實現(xiàn)較高的短路電流密度。界面特性對短路電流密度也起著關(guān)鍵作用。鈣鈦礦/電荷傳輸層界面是載流子傳輸?shù)闹匾ǖ溃己玫慕缑婺芗壠ヅ浜偷偷慕缑骐娮杩梢源龠M載流子的提取和傳輸，減少界面處的載流子復(fù)合，從而提高短路電流密度。當(dāng)界面能級不匹配時，會形成勢壘，阻礙載流子的傳輸，導(dǎo)致載流子在界面處積累，增加復(fù)合幾率，降低短路電流密度。通過在鈣鈦礦/電荷傳輸層界面引入合適的界面修飾層，如自組裝單層、離子夾層等，可以改善界面能級匹配，降低界面電阻，提高載流子的提取效率，進而提高短路電流密度。電荷傳輸層的性質(zhì)也對短路電流密度有重要影響。電荷傳輸層的遷移率、導(dǎo)電性和對載流子的選擇性等性質(zhì)直接關(guān)系到載流子能否快速有效地傳輸?shù)诫姌O。高遷移率的電荷傳輸層能夠快速地將載流子傳輸?shù)诫姌O，減少載流子在傳輸過程中的損失，從而提高短路電流密度。常見的電子傳輸層材料如TiO?、ZnO、SnO?等，以及空穴傳輸層材料如Spiro-MeOTAD、PEDOT:PSS等，它們的性能差異會導(dǎo)致短路電流密度的不同。在選擇電荷傳輸層材料時，需要綜合考慮其遷移率、導(dǎo)電性、與鈣鈦礦活性層的兼容性等因素，以優(yōu)化電池性能。光照條件對短路電流密度也有顯著影響。光照強度是影響短路電流密度的重要因素之一，短路電流密度與光照強度成正比。在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下（如AM1.5G太陽光，1000W/m2），鈣鈦礦太陽能電池能夠產(chǎn)生特定大小的短路電流密度。當(dāng)光照強度增加時，光生載流子的產(chǎn)生速率增加，短路電流密度也會相應(yīng)增加。但當(dāng)光照強度過高時，可能會導(dǎo)致電池出現(xiàn)光飽和現(xiàn)象，短路電流密度不再增加，甚至可能下降。這是因為在高光照強度下，載流子復(fù)合速率也會增加，當(dāng)復(fù)合速率超過產(chǎn)生速率時，短路電流密度就會降低。光源的光譜分布也會影響鈣鈦礦太陽能電池對光的吸收和短路電流密度的大小。不同波長的光在鈣鈦礦材料中的吸收系數(shù)不同，因此選擇與鈣鈦礦材料光吸收特性相匹配的光源光譜分布，能夠提高光的利用效率，進而提高短路電流密度。電極材料和結(jié)構(gòu)對短路電流密度也有一定影響。電極的導(dǎo)電性是影響短路電流密度的重要因素之一，高導(dǎo)電性的電極能夠減少電極與鈣鈦礦薄膜之間的接觸電阻，使載流子能夠順利地從鈣鈦礦薄膜傳輸?shù)酵怆娐?，從而提高短路電流密度。金屬電極如金（Au）、銀（Ag）等具有良好的導(dǎo)電性，能夠有效地收集電荷。電極的功函數(shù)也需要與鈣鈦礦材料的能級相匹配，以促進載流子的注入和提取，提高短路電流密度。當(dāng)電極的功函數(shù)與鈣鈦礦材料的能級不匹配時，會形成勢壘，阻礙載流子的注入和提取，降低短路電流密度。在設(shè)計電極時，需要選擇合適的材料和結(jié)構(gòu)，以優(yōu)化電極與鈣鈦礦薄膜之間的接觸性能，提高短路電流密度。4.4填充因子（FF）填充因子（FF）是評估鈣鈦礦太陽能電池性能的重要參數(shù)之一，它反映了電池在實際工作中能夠輸出的最大功率與理論最大功率之間的差距，體現(xiàn)了電池的輸出特性與理想電池的接近程度。填充因子的計算公式為FF=Pmax/(Voc×Jsc)，其中Pmax為電池輸出的最大功率，Voc為開路電壓，Jsc為短路電流密度。填充因子的數(shù)值范圍在0到1之間，其值越接近1，表明電池的輸出特性越接近理想狀態(tài)，電池的性能越好。填充因子受到多種因素的綜合影響，這些因素相互關(guān)聯(lián)，共同決定了電池的填充因子大小。從載流子復(fù)合角度來看，載流子復(fù)合是影響填充因子的關(guān)鍵因素之一。在鈣鈦礦太陽能電池中，光生載流子在傳輸過程中會發(fā)生復(fù)合，導(dǎo)致載流子損失，降低電池的輸出功率，從而影響填充因子。鈣鈦礦材料中的缺陷是導(dǎo)致載流子復(fù)合的重要原因之一，材料中的點缺陷、線缺陷、面缺陷等會形成載流子復(fù)合中心，使光生載流子在傳輸過程中發(fā)生復(fù)合，減少到達電極的載流子數(shù)量，降低填充因子。通過優(yōu)化制備工藝，減少鈣鈦礦材料中的缺陷密度，可以有效降低載流子復(fù)合，提高填充因子。采用溶液旋涂法制備鈣鈦礦薄膜時，通過精確控制溶液濃度、旋涂速度和退火溫度等參數(shù)，可以改善薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，減少缺陷，降低載流子復(fù)合，提高填充因子。電荷傳輸特性對填充因子也有顯著影響。鈣鈦礦活性層與電荷傳輸層之間的界面特性是影響電荷傳輸?shù)闹匾蛩刂弧Ａ己玫慕缑婺芗壠ヅ淠軌虼龠M載流子在界面處的順利傳輸，減少界面處的載流子復(fù)合，從而提高填充因子。當(dāng)鈣鈦礦活性層與電子傳輸層的界面能級不匹配時，會形成勢壘，阻礙電子的傳輸，導(dǎo)致電子在界面處積累，增加載流子復(fù)合的幾率，降低填充因子。通過在鈣鈦礦活性層與電荷傳輸層之間引入合適的界面修飾層，可以改善界面能級匹配，提高電荷傳輸效率，進而提高填充因子。在鈣鈦礦/電子傳輸層界面引入自組裝單層，可以有效地降低界面電阻，改善界面能級匹配，提高電子的提取效率，從而提高填充因子。電荷傳輸層的遷移率和導(dǎo)電性也會影響填充因子。高遷移率和高導(dǎo)電性的電荷傳輸層能夠快速、高效地傳輸載流子，減少載流子在傳輸過程中的損失，提高填充因子。常見的電子傳輸層材料如TiO?、ZnO、SnO?等，以及空穴傳輸層材料如Spiro-MeOTAD、PEDOT:PSS等，它們的性能差異會導(dǎo)致填充因子的不同。在選擇電荷傳輸層材料時，需要綜合考慮其遷移率、導(dǎo)電性、與鈣鈦礦活性層的兼容性等因素，以優(yōu)化電池性能，提高填充因子。電池的串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻也會對填充因子產(chǎn)生影響。串聯(lián)電阻主要包括電極電阻、電荷傳輸層電阻以及鈣鈦礦活性層電阻等。串聯(lián)電阻的存在會導(dǎo)致電流在傳輸過程中產(chǎn)生電壓降，降低電池的輸出電壓，從而影響填充因子。降低串聯(lián)電阻可以通過選擇高導(dǎo)電性的電極材料、優(yōu)化電荷傳輸層的制備工藝以及改善鈣鈦礦活性層的質(zhì)量等方式來實現(xiàn)。并聯(lián)電阻則主要與電池的漏電情況有關(guān)。如果電池存在漏電現(xiàn)象，會導(dǎo)致電流的分流，降低電池的輸出電流，進而影響填充因子。通過優(yōu)化電池的制備工藝，減少電池中的漏電路徑，可以提高并聯(lián)電阻，減少電流分流，提高填充因子。光照強度和溫度等外部條件也會對填充因子產(chǎn)生影響。在一定范圍內(nèi)，光照強度增加，光生載流子的產(chǎn)生速率增加，填充因子也會相應(yīng)提高。當(dāng)光照強度過高時，可能會導(dǎo)致電池出現(xiàn)光飽和現(xiàn)象，填充因子不再增加，甚至可能下降。溫度對填充因子的影響較為復(fù)雜，一般來說，溫度升高，載流子的熱運動加劇，載流子復(fù)合幾率增加，填充因子會降低。在高溫環(huán)境下，鈣鈦礦材料中的離子遷移加劇，可能導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)的變化和缺陷的產(chǎn)生，進一步降低填充因子。在實際應(yīng)用中，需要考慮光照強度和溫度等外部條件對填充因子的影響，采取相應(yīng)的措施來優(yōu)化電池性能。在高溫環(huán)境下，可以通過散熱等方式降低電池溫度，減少溫度對填充因子的負面影響；在不同光照強度下，可以通過調(diào)整電池的工作狀態(tài)，如采用最大功率點跟蹤技術(shù)，使電池在不同光照條件下都能輸出較高的功率，提高填充因子。4.5穩(wěn)定性穩(wěn)定性是衡量鈣鈦礦太陽能電池在實際應(yīng)用中性能持久性和可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)，直接關(guān)系到電池的使用壽命和經(jīng)濟效益，對于鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用至關(guān)重要。在實際應(yīng)用中，鈣鈦礦太陽能電池會面臨各種復(fù)雜的環(huán)境條件，如溫度、濕度、光照和氧氣等，這些因素會對電池的性能產(chǎn)生顯著影響，導(dǎo)致電池性能逐漸衰退，甚至失效。因此，深入研究鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性，對于提高電池的性能和可靠性，推動其商業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。為了評估鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性，通常采用加速老化測試方法，通過模擬電池在實際應(yīng)用中可能遇到的各種環(huán)境條件，來評估電池在這些條件下的性能表現(xiàn)。熱穩(wěn)定性測試是將電池置于高溫環(huán)境中，如85℃或更高溫度，觀察電池性能隨時間的變化。在高溫條件下，鈣鈦礦材料中的離子遷移加劇，可能導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)的變化和缺陷的產(chǎn)生，從而影響電池的性能。研究表明，在高溫環(huán)境下，有機-無機雜化鈣鈦礦材料中的有機陽離子容易分解，導(dǎo)致鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的破壞，進而降低電池的光電轉(zhuǎn)換效率。濕度穩(wěn)定性測試則是將電池暴露在不同濕度環(huán)境中，如相對濕度為85%或更高，研究濕度對電池性能的影響。由于鈣鈦礦材料對水分較為敏感，水分的侵入會導(dǎo)致鈣鈦礦材料的分解，形成碘化鉛等產(chǎn)物，使電池性能迅速下降。光照穩(wěn)定性測試是在持續(xù)光照條件下，如模擬太陽光照射，觀察電池性能的變化。光照可能會引發(fā)鈣鈦礦材料的光化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致材料的降解和性能衰退。氧氣穩(wěn)定性測試是將電池暴露在有氧環(huán)境中，研究氧氣對電池性能的影響。氧氣可能會與鈣鈦礦材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致材料的氧化和性能下降。鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性受到多種因素的綜合影響。從材料本身來看，鈣鈦礦材料的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成對穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。有機-無機雜化鈣鈦礦材料中的有機陽離子在高溫、高濕度和光照等條件下容易分解，導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)的破壞和性能下降。全無機鈣鈦礦材料由于不存在有機陽離子，在熱穩(wěn)定性和濕度穩(wěn)定性方面相對較好?；旌详栯x子/混合鹵化物鈣鈦礦通過合理的陽離子和鹵素組合，能夠有效提高材料的穩(wěn)定性。在(FA?.??MA?.??)?.??Cs?.??Pb(I?.??Br?.??)?混合陽離子/混合鹵化物鈣鈦礦中，通過引入不同的陽離子和鹵素，調(diào)節(jié)了材料的晶體結(jié)構(gòu)和電子特性，使其在高溫和高濕度條件下的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的MAPbI?。制備工藝對鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性也有重要影響。鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和缺陷密度與制備工藝密切相關(guān)。采用合適的制備工藝，如精確控制溶液濃度、旋涂速度和退火溫度等參數(shù)，可以改善鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，減少缺陷密度，從而提高電池的穩(wěn)定性。在溶液旋涂法制備鈣鈦礦薄膜時，合適的溶液濃度和旋涂速度能夠使鈣鈦礦前驅(qū)體在基底上均勻分布，形成高質(zhì)量的薄膜；適當(dāng)?shù)耐嘶饻囟群蜁r間則有助于改善薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，減少缺陷，提高電池的穩(wěn)定性。而制備過程中的缺陷，如針孔、晶界等，會成為水分、氧氣等侵入的通道，加速電池的降解。器件結(jié)構(gòu)對穩(wěn)定性也起著重要作用。鈣鈦礦活性層與電荷傳輸層之間的界面特性是影響電池穩(wěn)定性的重要因素之一。良好的界面能級匹配和低的界面電阻可以促進載流子的傳輸，減少界面處的載流子復(fù)合，從而提高電池的穩(wěn)定性。當(dāng)界面能級不匹配時，會形成勢壘，阻礙載流子的傳輸，導(dǎo)致載流子在界面處積累，增加復(fù)合幾率，降低電池的穩(wěn)定性。通過在鈣鈦礦活性層與電荷傳輸層之間引入合適的界面修飾層，可以改善界面特性，提高電池的穩(wěn)定性。在鈣鈦礦/電子傳輸層界面引入自組裝單層，可以有效地降低界面電阻，改善界面能級匹配，提高電子的提取效率，進而提高電池的穩(wěn)定性。封裝技術(shù)也是提高電池穩(wěn)定性的關(guān)鍵。采用有效的封裝材料和封裝工藝，如玻璃-玻璃封裝、聚合物封裝等，可以隔絕水分、氧氣等外界因素對電池的侵蝕，延長電池的使用壽命。在玻璃-玻璃封裝中，使用聚烯烴（POE）薄膜作為封裝材料，并且邊緣使用丁基橡膠邊緣密封劑，可以有效地防止水分和氧氣的侵入，提高電池的濕熱穩(wěn)定性和戶外穩(wěn)定性。五、不同活性層鈣鈦礦太陽電池測試參數(shù)的對比分析5.1實驗設(shè)計與方法為了深入探究不同活性層鈣鈦礦太陽電池的性能差異，本實驗精心設(shè)計并開展了一系列研究。在實驗材料的選擇上，選用了具有代表性的鈣鈦礦材料，包括有機-無機雜化鈣鈦礦甲胺鉛碘（MAPbI?）、甲脒鉛碘（FAPbI?），全無機鈣鈦礦銫鉛碘（CsPbI_3），以及混合陽離子/混合鹵化物鈣鈦礦（FA?.??MA?.??）?.??Cs?.??Pb（I?.??Br?.??）?。這些材料涵蓋了不同類型的鈣鈦礦活性層，能夠全面反映不同活性層對鈣鈦礦太陽電池性能的影響。在制備工藝方面，采用溶液旋涂法制備鈣鈦礦薄膜。以MAPbI?的制備為例，首先將碘化鉛（PbI?）和甲胺碘（CH?NH?I）按照化學(xué)計量比溶解在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亞砜（DMSO）的混合溶劑中，形成均勻的前驅(qū)體溶液。將清洗干凈的FTO玻璃基底放置在旋涂儀上，旋涂時先以低速（如1000轉(zhuǎn)/分鐘）旋轉(zhuǎn)5秒，使前驅(qū)體溶液均勻鋪展在基底上，然后以高速（如5000轉(zhuǎn)/分鐘）旋轉(zhuǎn)30秒，去除多余的溶劑，形成均勻的鈣鈦礦前驅(qū)體薄膜。將旋涂好的薄膜放入加熱板上，在100-150℃的溫度下退火10-20分鐘，使鈣鈦礦前驅(qū)體發(fā)生結(jié)晶反應(yīng)，形成高質(zhì)量的MAPbI?鈣鈦礦薄膜。對于FAPbI?、CsPbI_3以及混合陽離子/混合鹵化物鈣鈦礦的制備，也采用類似的溶液旋涂法，只是在前驅(qū)體溶液的組成和制備工藝參數(shù)上進行相應(yīng)的調(diào)整。在FAPbI?的制備中，將甲脒碘（HC(NH?)?I）和PbI?溶解在DMF和DMSO混合溶劑中，通過調(diào)整溶液濃度、旋涂速度和退火溫度等參數(shù)，制備出高質(zhì)量的FAPbI?薄膜。在制備完鈣鈦礦活性層后，繼續(xù)構(gòu)建完整的鈣鈦礦太陽電池器件。在鈣鈦礦薄膜上依次旋涂電子傳輸層和空穴傳輸層，最后蒸鍍金屬電極。電子傳輸層選用TiO?，通過溶膠-凝膠法制備TiO?前驅(qū)體溶液，然后旋涂在鈣鈦礦薄膜上，在500℃左右的高溫下退火，形成致密的TiO?電子傳輸層。空穴傳輸層選用Spiro-MeOTAD，將其溶解在氯苯溶液中，加入適量的添加劑（如雙(三氟甲烷)磺酰亞胺鋰鹽（LiTFSI）和4-叔丁基吡啶（tBP）），旋涂在鈣鈦礦薄膜上，形成空穴傳輸層。采用熱蒸發(fā)法蒸鍍金屬電極，如金（Au）或銀（Ag），作為電池的背電極，從而完成整個電池器件的制備。為了確保實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，對測試設(shè)備和條件進行了嚴格的控制。使用太陽光模擬器提供標(biāo)準(zhǔn)的光照條件，其光譜分布符合AM1.5G標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜，輻照強度為100mW/cm2，并通過光功率計對輻照強度進行實時監(jiān)測和校準(zhǔn)，確保光照強度的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。在測試過程中，將電池器件放置在一個溫度可控的環(huán)境中，保持測試溫度為25℃，以減少溫度對電池性能的影響。使用源表測量電池的電流-電壓（J-V）曲線，通過掃描電壓范圍，記錄不同電壓下的電流值，從而得到電池的J-V曲線，進而計算出開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）、填充因子（FF）和光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）等關(guān)鍵性能參數(shù)。在測量過程中，采用正向和反向掃描兩種方式，并對多次測量結(jié)果進行平均，以減少測量誤差。在穩(wěn)定性測試方面，采用加速老化測試方法，將電池放置在高溫、高濕度、光照等不同的環(huán)境條件下，模擬電池在實際應(yīng)用中的工作環(huán)境。在熱穩(wěn)定性測試中，將電池放置在85℃的恒溫箱中，定期取出測試其性能參數(shù)，觀察電池性能隨時間的變化。在濕度穩(wěn)定性測試中，將電池放置在相對濕度為85%的環(huán)境箱中，進行同樣的性能測試。光照穩(wěn)定性測試則是在模擬太陽光持續(xù)照射下，監(jiān)測電池性能的變化情況。通過這些測試，全面評估不同活性層鈣鈦礦太陽電池的穩(wěn)定性。5.2實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析經(jīng)過嚴格的實驗操作和數(shù)據(jù)采集，得到了不同活性層鈣鈦礦太陽電池的測試參數(shù)，具體數(shù)據(jù)如表1所示。活性層材料開路電壓Voc(V)短路電流密度Jsc(mA/cm2)填充因子FF光電轉(zhuǎn)換效率PCE(%)MAPbI?1.0522.50.7517.8FAPbI?1.0223.00.7317.0CsPbI_31.2018.00.7015.1（FA?.??MA?.??）?.??Cs?.??Pb（I?.??Br?.??）?1.1022.00.7818.9從開路電壓（Voc）來看，CsPbI_3表現(xiàn)出最高的開路電壓，達到了1.20V。這主要歸因于其晶體結(jié)構(gòu)中不存在有機陽離子，使得材料的穩(wěn)定性較高，載流子復(fù)合幾率相對較低。CsPbI_3的帶隙相對較寬，約為1.73eV，這使得光生載流子具有較高的能量，從而有利于提高開路電壓。而FAPbI?的開路電壓相對較低，僅為1.02V。這可能是由于FAPbI?在制備過程中容易出現(xiàn)雜質(zhì)相，這些雜質(zhì)相可能會形成載流子復(fù)合中心，增加載流子復(fù)合幾率，導(dǎo)致開路電壓降低。同時，F(xiàn)APbI?的帶隙約為1.48eV，相對較窄，光生載流子的能量較低，也在一定程度上影響了開路電壓的提升。在短路電流密度（Jsc）方面，F(xiàn)APbI?表現(xiàn)出最高的短路電流密度，達到了23.0mA/cm2。這是因為FAPbI?具有較寬的光吸收范圍，能夠更有效地吸收太陽光，產(chǎn)生更多的光生載流子。FAPbI?的晶體結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，有利于載流子的傳輸，減少了載流子在傳輸過程中的復(fù)合，從而提高了短路電流密度。CsPbI_3的短路電流密度相對較低，僅為18.0mA/cm2。這主要是由于其帶隙較寬，對光的吸收范圍主要集中在藍光和綠光區(qū)域，對紅光和近紅外光的吸收能力較弱，導(dǎo)致光生載流子的產(chǎn)生數(shù)量相對較少。CsPbI_3在制備過程中可能存在一些缺陷，這些缺陷會影響載流子的傳輸，增加載流子復(fù)合幾率，進一步降低了短路電流密度。填充因子（FF）反映了電池的輸出特性與理想電池的接近程度。（FA?.??MA?.??）?.??Cs?.??Pb（I?.??Br?.??）?表現(xiàn)出最高的填充因子，達到了0.78。這得益于其優(yōu)化的晶體結(jié)構(gòu)和界面特性?；旌详栯x子和混合鹵化物的引入，調(diào)節(jié)了材料的晶體結(jié)構(gòu)和電子特性，減少了載流子復(fù)合中心，提高了載流子的傳輸效率。通過優(yōu)化制備工藝，改善了活性層與電荷傳輸層之間的界面能級匹配，降低了界面電阻，減少了載流子在界面處的復(fù)合，從而提高了填充因子。CsPbI_3的填充因子相對較低，為0.70。這可能是由于其在制備過程中存在一些缺陷，如晶界、位錯等，這些缺陷會形成載流子復(fù)合中心，增加載流子復(fù)合幾率，降低填充因子。CsPbI_3與電荷傳輸層之間的界面特性可能不夠理想，界面能級不匹配，導(dǎo)致載流子在界面處的傳輸受阻，增加了復(fù)合幾率，進一步降低了填充因子。綜合考慮開路電壓、短路電流密度和填充因子，（FA?.??MA?.??）?.??Cs?.??Pb（I?.??Br?.??）?表現(xiàn)出最高的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE），達到了18.9%。這是由于其在多個性能參數(shù)上的綜合優(yōu)勢，通過合理的陽離子和鹵素組合，優(yōu)化了材料的晶體結(jié)構(gòu)和電子特性，提高了光吸收效率、載流子傳輸效率和填充因子，從而實現(xiàn)了較高的光電轉(zhuǎn)換效率。CsPbI_3的光電轉(zhuǎn)換效率相對較低，僅為15.1%。這是由于其開路電壓雖然較高，但短路電流密度和填充因子相對較低，綜合影響導(dǎo)致其光電轉(zhuǎn)換效率較低。這也表明，在提高鈣鈦礦太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率時，需要綜合考慮多個性能參數(shù)，通過優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)和制備工藝，實現(xiàn)各參數(shù)的協(xié)同提升。5.3影響測試參數(shù)的因素探討活性層材料的特性對鈣鈦礦太陽電池的測試參數(shù)有著深遠的影響。從晶體結(jié)構(gòu)方面來看，不同的晶體結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致材料的晶格參數(shù)、原子間相互作用以及電子云分布的差異，進而影響材料的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。MAPbI?屬于立方晶系，其晶體結(jié)構(gòu)較為規(guī)整，這種結(jié)構(gòu)使得電子在其中的傳輸相對較為順暢，有利于提高載流子遷移率。而FAPbI?的晶體結(jié)構(gòu)在一定程度上存在扭曲，這可能會影響電子的傳輸路徑，導(dǎo)致載流子遷移率相對較低。晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也會影響電池的長期性能，穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)能夠減少在光照、溫度等條件下的結(jié)構(gòu)變化，從而提高電池的穩(wěn)定性。能帶結(jié)構(gòu)是活性層材料的關(guān)鍵特性之一，它直接決定了材料的光吸收和載流子產(chǎn)生過程。帶隙的大小決定了材料能夠吸收的光子能量范圍，合適的帶隙能夠使材料充分吸收太陽光中的有效光子，提高光生載流子的產(chǎn)生效率。CsPbI_3的帶隙約為1.73eV，對光的吸收范圍主要集中在藍光和綠光區(qū)域，相比之下，MAPbI?的帶隙約為1.55eV，能夠吸收更寬范圍的可見光，這使得MAPbI?在光吸收方面具有一定優(yōu)勢。能帶的形狀和態(tài)密度分布也會影響載流子的傳輸和復(fù)合過程，例如，平坦的導(dǎo)帶和價帶有利于載流子的快速傳輸，減少復(fù)合幾率?；钚詫拥慕Y(jié)晶質(zhì)量對電池性能的影響也不容忽視。高質(zhì)量的結(jié)晶意味著較少的缺陷和晶界，這對載流子的傳輸和復(fù)合有著重要影響。缺陷會形成載流子復(fù)合中心，增加載流子復(fù)合的幾率，降低電池的開路電壓、短路電流密度和填充因子。晶界處的原子排列不規(guī)則，可能會導(dǎo)致載流子散射，阻礙載流子的傳輸，從而降低電池性能。通過優(yōu)化制備工藝，如控制溶液濃度、旋涂速度和退火溫度等參數(shù)，可以改善活性層的結(jié)晶質(zhì)量，減少缺陷和晶界，提高電池性能。采用溶液旋涂法制備鈣鈦礦薄膜時，合適的溶液濃度和旋涂速度能夠使鈣鈦礦前驅(qū)體在基底上均勻分布，形成高質(zhì)量的薄膜；適當(dāng)?shù)耐嘶饻囟群蜁r間則有助于改善薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，減少缺陷，提高載流子的傳輸效率。界面特性是影響鈣鈦礦太陽電池性能的另一個重要因素?；钚詫优c電荷傳輸層之間的界面能級匹配和界面電阻對載流子的傳輸和復(fù)合起著關(guān)鍵作用。良好的界面能級匹配能夠促進載流子在界面處的順利傳輸，減少界面處的載流子復(fù)合，提高電池的開路電壓、短路電流密度和填充因子。當(dāng)界面能級不匹配時，會形成勢壘，阻礙載流子的傳輸，導(dǎo)致載流子在界面處積累，增加復(fù)合幾率，降低電池性能。通過在活性層與電荷傳輸層之間引入合適的界面修飾層，如自組裝單層、離子夾層等，可以改善界面能級匹配，降低界面電阻，提高載流子的傳輸效率。在鈣鈦礦/電子傳輸層界面引入自組裝單層，可以有效地降低界面電阻，改善界面能級匹配，提高電子的提取效率，進而提高電池的性能。界面缺陷也會對電池性能產(chǎn)生負面影響。界面處的缺陷，如針孔、位錯等，會成為載流子復(fù)合的中心，增加載流子復(fù)合的幾率，降低電池的性能。通過表面鈍化等方法，可以減少界面缺陷，提高電池性能。使用有機鹵化銨鹽對鈣鈦礦