鈣鈦礦電池的結構分析

鈣鈦礦電池，即鈣鈦礦型太陽能電池（perovskite solar cells），是利用鈣鈦礦型的有機金屬鹵化物半導體(ti) 作為(wei) 吸光材料的太陽能電池，屬於(yu) 第三代太陽能電池。以下是對其結構的詳細分析：

一、基本構造

鈣鈦礦太陽能電池的基本構造為(wei) 五層“三明治”結構，其中以鈣鈦礦層為(wei) 中心，上下兩(liang) 側(ce) 為(wei) 兩(liang) 個(ge) 傳(chuan) 輸層，最外側(ce) 為(wei) 兩(liang) 個(ge) 電極層。以單結平麵鈣鈦礦電池為(wei) 例，自下往上依次為(wei) ：玻璃、透明電極（FTO、ITO或FTO）、電子傳(chuan) 輸層、鈣鈦礦層、空穴傳(chuan) 輸層、金屬電極。

二、各層功能及材料

1. 鈣鈦礦層

• 功能：吸收光照能量，在內(nei) 部產(chan) 生激子（載流子對）。

• 材料：為(wei) ABX3結構，其中A通常為(wei) 有機陽離子（如甲胺離子、甲脒離子等）或無機陽離子（如銫離子），B為(wei) 二價(jia) 金屬陽離子（如鉛離子、錫離子等），X為(wei) 鹵素陰離子（如氯、溴、碘）。為(wei) 了形成基本的穩定結構，A、B、X位離子的有效離子半徑配比需要滿足特定的容忍因子條件。根據A位是否有機離子可分為(wei) 有機無機雜化鈣鈦礦和全無機鈣鈦礦，前者綜合性能良好運用廣泛、後者熱穩定性好但效率較低。

2. 電子傳(chuan) 輸層

• 功能：將電子高效地向電極傳(chuan) 輸，並阻擋空穴向外側(ce) 電極移動，實現載流子的分離，防止鈣鈦礦層與(yu) 電極直接接觸內(nei) 部短路。

• 材料：石墨烯、PCBM等有機材料具有良好的能級匹配，但穩定性較差；TiO2、SnO2等金屬氧化物實際使用最為(wei) 廣泛。

3. 空穴傳(chuan) 輸層

• 功能：將空穴高效地向電極傳(chuan) 輸，同時阻擋電子向外側(ce) 電極移動，實現載流子的分離。

• 材料：有機小分子spiro-OMeTAD由於(yu) 與(yu) 鈣鈦礦層良好的能級匹配性而運用廣泛。

4. 電極層

• 功能：在兩(liang) 側(ce) 分別提取電子和空穴，與(yu) 外部電路相連。麵向光照方向一側(ce) 為(wei) 底電極，另一側(ce) 為(wei) 頂電極或背電極。

• 材料：底電極需要具備透光性，一般采用ITO、FTO等TCO玻璃；頂電極實驗室常采用導電性良好的金屬Au，但價(jia) 格昂貴，使用TCO則有利於(yu) 製作雙麵發電結構；碳材料因低廉價(jia) 格和良好的性能，也成為(wei) 一種良好選擇。

三、電池結構分類

鈣鈦礦電池結構可分為(wei) 平麵正式、平麵反式和介孔結構三類。

1. 介孔結構：是鈣鈦礦電池發展初期最常見結構，按照接受光照方向各層順序依次為(wei) “底電極/電子傳(chuan) 輸層/鈣鈦礦層/空穴傳(chuan) 輸層/頂電極”。

2. 平麵正式結構：各功能層順序與(yu) 介孔結構一致，可表示為(wei) “n-i-p”，優(you) 勢是可以達到很高的實驗室效率。

3. 平麵反式結構：兩(liang) 個(ge) 傳(chuan) 輸層順序對換，表示為(wei) “p-i-n”，其特點是可以在低溫條件下完成整個(ge) 製備流程，且材料結構穩定性更強，是當前產(chan) 業(ye) 化研究的重點。

綜上所述，鈣鈦礦電池的結構設計精巧且功能明確，各層之間協同工作以實現高效的光電轉換。隨著技術的不斷進步和材料的持續創新，鈣鈦礦電池有望在未來能源領域發揮更加重要的作用。