一文读懂钙钛矿太阳能电池的结构及发电原理

原标题：一文读懂钙钛矿太阳能电池的结构及发电原理

钙钛矿结构的太阳能电池，由于其工艺简单、潜在效率极高、材料成本极低，而被认为是取代硅基太阳能的第三代光伏发电技术。简单了解一下钙钛矿的结构和发电原理，可以更快地理解当下关于钙钛矿太阳能电池研究和投资的热点。

1.钙钛矿太阳能电池解剖

和 晶硅电池相似，钙钛矿太阳能电池也是有不同的“层”堆叠在一起，每层有其特殊的功能和作用。

上图中的电池原型 包括一个n 型致密层、一个中孔氧化物层、一个光捕获钙钛矿层、一个空穴传输层和两个电极。PSC 的通用结构和不同的层按指示逐步沉积。

第 1 步：氟掺杂氧化锡 (FTO)/铟掺杂氧化锡 (ITO) 涂层玻璃用作钙钛矿器件光阳极的基板，柔性基底通常为 ITO/PEN。

第 2 步：在其上方，有一层致密的半导体材料，主要是 TiO2，用作空穴阻挡层或致密层，通常通过旋涂或喷涂沉积在 FTO 基板的顶部。它可以防止上面的电子选择层提取的空穴与 FTO/ITO 玻璃接触并抑制复合损失。

第 3 步：接下来是 ETL，它促进电子从光激发的钙钛矿层扩散到 FTO/ITO 玻璃中，从而扩散到外部电路。

第 4 步：钙钛矿层可作为敏化剂或吸收剂或电子或空穴传输器，尽管其主要功能是敏化剂，但旋涂在电子传输层上。

第 5 步：与钙钛矿层相邻的是空穴传输层，它允许激发的钙钛矿中的空穴向金属阴极移动以进行提取。石墨烯结构让空穴传输效率更高。

第 6 步：最后，有一个金属接触层，通常通过热蒸发沉积在太阳能电池的顶部，用作对电极，也称为背接触。

而对于实践应用的钙钛矿组件，还需要将上述钙钛矿太阳能电池做进一步的封装。和晶硅组件相似，需要用到封装胶膜和盖板玻璃。

2. 钙钛矿太阳能电池的一般工作原理 ：

钙钛矿层吸收阳光，光子中的能量用于激发电子。这种吸收表现为电子从钙钛矿敏化剂的价带边缘（或最高占据分子轨道，HOMO）激发到其导带边缘（或最低未占分子轨道，LUMO），使钙钛矿处于氧化状态，即被从相邻空穴传输层的 HOMO 移动的电子中和。

激发到钙钛矿 LUMO 的电子随后被注入 ETL 的 LUMO，并通过扩散传输到前接触。能级在热力学上以这样的方式对齐，即当来自钙钛矿价带边缘的电子被激发到导带边缘时，它在钙钛矿中留下一个空穴，然后来自 HTL 的 HOMO 的另一个电子可以填充到位。

因此，通过电子和空穴的跳跃运动产生电流。HTL 允许从钙钛矿层提取的空穴通过，并将它们提取到外部电路中。HTL 还用作电子阻挡层并防止任何电子通过。

尽管钙钛矿材料在提高效率方面显示出令人鼓舞的结果，但它们确实存在一些阻碍其商业化的缺点。由于它们由有机阳离子形成，因此易受水分、温度、紫外线辐射和氧气的影响，因此会在短时间内降低太阳能电池的性能，有报道称最大稳定性值刚刚超过1000小时。

原创No.2415；转载需联系授权

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