实用视角下，解读钙钛矿的实用特性与应用方向
实用视角下，解读钙钛矿的实用特性与应用方向
钙钛矿材料凭借其独特的光电性能，在太阳能电池、发光二极管和光电探测器等领域展现出巨大的应用潜力。本文将从钙钛矿的结构、性质、制备方法及其在不同领域的应用等方面，全面解读这一前沿材料的独特魅力和广阔前景。
太阳能电池主要分为晶硅电池和薄膜电池两大类，这两类电池起初在技术上相对独立，在各自方向不断发展迭代。晶硅电池中，N型和P型单晶硅电池是产业主流。
在薄膜电池中，有砷化镓 （GaAs）、碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CIGS）、钙钛矿这几种常见的化合物电 池。其中部分电池含有的稀有元素（如：镓）在地壳内含量极其稀少，导致了规模化、产业化困难，市场空间比较有限。相对来说，钙钛矿所需的元素在地壳中含量丰富，这为其规模化发展提供了必要条件。
钙钛矿的结构与性质
结构特点
钙钛矿的名称源于其典型的晶体结构，与天然矿物钙钛矿（CaTiO₃）具有相似的结构特征。理想的钙钛矿结构可以表示为 ABX₃，其中A通常为一价阳离子（如甲胺阳离子、铯阳离子等），B为二价金属阳离子（如铅阳离子、锡阳离子等），X为卤素阴离子（如氯、溴、碘等）。这种独特的结构赋予了钙钛矿许多优异的性质。
物理性质
钙钛矿具有较高的折射率和介电常数，这使其在光学和电学方面表现出色。它还具有良好的热稳定性和机械强度，能够适应不同的应用环境。
光电性质
钙钛矿最为突出的性质是其卓越的光电性能。它具有宽的光吸收范围、高的光吸收系数、长的载流子扩散长度和低的载流子复合率，这些特性使得钙钛矿在光电转换领域具有巨大的应用潜力。
钙钛矿的制备方法
溶液法
溶液法是制备钙钛矿最常用的方法之一。通过将含有 A、B 和 X 元素的前驱体溶解在适当的溶剂中，然后通过旋涂、喷涂或印刷等方式将溶液涂覆在基底上，经过热处理等过程形成钙钛矿薄膜。
气相沉积法
气相沉积法包括物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。PVD主要通过蒸发或溅射等手段将钙钛矿材料沉积在基底上，而 CVD 则是利用气相化学反应在基底上生长钙钛矿薄膜。
固相反应法
固相反应法是将含有 A、B 和X元素的固体化合物混合后，在高温下进行固相反应，生成钙钛矿晶体。
钙钛矿电池在理论效率、工艺、成本三方面优于主流晶硅电池
钙钛矿电池理论效率极限远高于单结晶硅电池。普通单晶硅电池/晶体硅太阳能电池极限转换效率分别为 24.5%/29.4%。目 量产的TOPCon和HJT电池效率可分别达到 25.6%以上和 26.49%，接近 TOPCon 电池和 HJT 电池的理论效率极限（分别为 28.7%和 27.5%）。而钙钛矿单层电池极限转换效率可达33%，同时，钙钛矿可以与其他光伏技术结合合成得到极限转 换效率更高的叠层电池，比如晶硅/钙钛矿叠层电池和钙钛矿/钙钛矿叠层电池 极限分别可达43%和 45%。
钙钛矿理论效率较高主要来自三大方面。
作为吸光材料综合性能强：钙钛矿材料能够同时高效地完成太阳光的吸收、光生载流子的激发输运和分离等过程。钙钛矿材料具有极高的吸光系数，光吸收能力比其它有机染料高 10 倍以 上，400nm 厚的薄膜即可吸收紫外-近红外光谱范围内的所有光子；并且可以通过替位掺杂等手段，调节材料禁带宽度，实现功能的发展和迭代。
其禁带宽度在最佳宽带附近：禁带宽度指的是使共价键上电子跃迁到导带上所需的最低能量。当光照提供的能量大于禁带宽度时，共价键中的电子由价带跃迁到导 带，形成空穴-电子对。在半导体的范围内，禁带宽度过窄会让半导体的结构受 到破坏，禁带宽度过宽会影响钙钛矿吸收光能的效率，而适中的禁带宽度既能 够承受高电压也能保证吸收光能的效率。根据肖克利-奎伊瑟极限，1.4ev 是太 阳能电池的最佳禁带宽度，钙钛矿电池的禁带宽度在 1.4ev 左右，晶硅电池的 禁带宽度约 1.1ev。
温度系数低：钙钛矿电池的温度系数为-0.001，即温度上升1℃发电功率下降 0.001%，因此高温度几乎不会影响到钙钛矿电池的发电 效率。晶硅电池温度系数约为-0.3，当温度达到 75℃时，20%效率的组件实际工 作效率仅为 16%。
钙钛矿在太阳能电池领域的应用
发展历程
钙钛矿太阳能电池的研究始于2009年，经过短短几年的发展，其光电转换效率已经取得了惊人的突破，从最初的不足4%迅速提升至超过25%，接近甚至超过了传统的硅基太阳能电池。
工作原理
钙钛矿太阳能电池的工作原理与传统太阳能电池类似，主要包括光吸收、激子产生、电荷分离、电荷传输和收集等过程。钙钛矿材料优异的光电性能使得这些过程能够高效地进行，从而实现高的光电转换效率。
钙钛矿在发光二极管领域的应用
钙钛矿发光二极管的结构与原理
钙钛矿发光二极管主要由钙钛矿发光层、电子传输层、空穴传输层和电极等组成。当施加电压时，电子和空穴分别从电子传输层和空穴传输层注入到钙钛矿发光层中，复合产生光发射。
性能与特点
钙钛矿发光二极管具有高的发光效率、宽的色域、可溶液加工等优点，在显示和照明领域具有巨大的应用潜力。
钙钛矿在光电探测器领域的应用
工作原理
光电探测器是一种将光信号转换为电信号的器件。钙钛矿光电探测器利用钙钛矿材料对光的吸收和光电转换特性，实现对光信号的检测。
性能优势
钙钛矿光电探测器具有高的灵敏度、快速的响应时间、宽的光谱响应范围等优势，在光通信、图像传感等领域有着广泛的应用前景。
钙钛矿电池设备：关注镀膜、涂布、激光、封装设备
钙钛矿电池制备设备主要由镀膜设备、涂布设备、激光设备、封装设备构成。镀膜设备主要包括 PVD（Physical Vapor Deposition，物理气相沉积）设备、 ALD（Atomic Layer Deposition，原子层沉积）设备，其中 PVD 设备采用的技术又可细分为真空蒸镀、溅镀、RPD（等离子体沉积）设备。
钙钛矿电池制备尚未形成统一技术路径。TCO玻璃制备主要使用磁控溅射PVD在 浮法玻璃上镀膜。电子传输层、钙钛矿层和空穴传输层的技术路线较为相似， 主要使用镀膜设备或涂布设备，电极层则主要使用PVD设备蒸镀形成金属背电极。不同技术路线之间使用 PVD 设备和涂布设备的数量和比例不同，但总体看，镀膜、涂布、激光、封装设备的价值量占比分别约为 50%、20%、20%、 10%。
空穴传输层、电子传输层制备以镀膜设备为主。其中PVD设备应用广泛，蒸镀设备成膜效率高但高昂成本限制其大规模发展，溅镀设备工艺成熟、性价比高。
钙钛矿作为一种新兴的材料，在短短几年内取得了举世瞩目的研究成果。其优异的光电性能使其在太阳能电池、发光二极管、光电探测器等领域展开了巨大的应用潜力。数据显示，钙钛矿全球市场规模预计将从2021年的8400美元增长到2026年11亿美元，年复增长率为66.5%。
