钙钛矿太阳能电池：原理、结构与最新进展

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钙钛矿太阳能电池作为一种新型光伏技术，自2009年首次问世以来，其光电转换效率已迅速提升至26.1%，展现出巨大的发展潜力。本文将为您详细介绍钙钛矿太阳能电池的原理、结构及其发展历程。

钙钛矿电池发展历程

钙钛矿太阳能电池的研究始于2009年，日本科学家Kojima和Miyasaka首次将钙钛矿材料应用于染料敏化太阳能电池中，实现了3.8%的光电转换效率。此后，钙钛矿电池技术迅速发展，仅用六年时间就将转换效率提升了超过10个百分点。

目前，钙钛矿电池正处于快速成长期，单结钙钛矿电池的稳态效率已达到26.1%，而晶硅-钙钛矿叠层电池的效率更是突破了34.6%。这些成就展示了钙钛矿电池在光伏领域的巨大潜力。

单结钙钛矿电池是指结构简单的非叠加电池。钙钛矿电池转换效率受到肖克利-奎瑟极限的限制，其单结极限效率为31%。钙钛矿电池自2009年第一次面世到如今，其效率提升速度是所有光伏技术中最快的。钙钛矿电池仅用10年时间就取得了其它光伏电池几十年才实现的成就。

钙钛矿电池的发电原理

钙钛矿太阳能电池的工作原理可以分为五个主要过程：

1. 光子吸收过程：电池的光吸收层材料吸收光子产生受库仑力作用束缚的电子-空穴对，即激子。
2. 激子扩散过程：激子产生后会在整个晶体内运动，由于扩散长度足够长，激子在运动过程发生复合的几率较小，大概率可以扩散到界面处。
3. 激子解离过程：钙钛矿材料的激子结合能小，在钙钛矿光吸收层与传输层的界面处，激子在内建电场的作用下容易发生解离，进而成为自由载流子。
4. 载流子传输过程：激子解离后形成的自由载流子，其中自由电子通过电子传输层向阴极传输，自由空穴通过空穴传输层向阳极传输。
5. 电荷收集过程：自由电子通过电子传输层后被阴极层收集，自由空穴通过空穴传输层后被阳极层收集，两极形成电势差，电池与外加负载构成闭合回路，回路中形成电流。

钙钛矿电池的电池结构

钙钛矿电池采用层状结构，主要包括金属对电极、空穴传输层、钙钛矿吸收层、电子传输层和透明导电玻璃。常见的钙钛矿电池结构有正式结构（n-i-p型）和反式结构（p-i-n型）两种，主要区别在于传输层位置和传输方向不同。目前，主流采用的是反式平面结构。

钙钛矿太阳能电池的三种典型结构：

• (a) 正式介孔结构
• (b) 正式平面结构
• (c) 反式平面结构

钙钛矿太阳能电池作为新一代光伏技术，其高效率、低成本和易于制备的特点使其成为光伏领域的研究热点。随着技术的不断进步，钙钛矿太阳能电池有望在未来光伏市场中占据重要地位。