王佳

摘 要：由于鈣鈦礦材料制備的太陽能電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高和成本低的優(yōu)點(diǎn)，近年來發(fā)展極為迅速，獲得了學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注。首先總結(jié)了鈣鈦礦材料的發(fā)現(xiàn)及發(fā)展?fàn)顩r，然后介紹了鈣鈦礦太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，最后介紹了鈣鈦礦型太陽能電池的近期研究狀況。

關(guān)鍵詞：鈣鈦礦型；太陽能電池；優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)；研究狀況

一、 鈣鈦礦型太陽能電池的發(fā)現(xiàn)及發(fā)展?fàn)顩r

（一）鈣鈦礦型太陽能電池的發(fā)現(xiàn)

鈣鈦礦進(jìn)入人們視野已近兩個世紀(jì)。但是直到2009年，鈣鈦礦太陽能電池才被首次被提出。當(dāng)時日本桐蔭橫濱大學(xué)的Tsutomu Miyasaka將鈣鈦礦作為吸光層加入到染料敏化太陽能電池（DSSCs）設(shè)備中，效率達(dá)3.8%。研究人員很快意識到，鈣鈦礦不僅善于捕捉日光，還可以運(yùn)送電荷。2012年8月以后，人們對該電池的研究取得了一系列的重大突破，國際學(xué)術(shù)界對此高度重視。

（二）鈣鈦礦型太陽能電池的發(fā)展?fàn)顩r

相比于有機(jī)（opv）、染料敏化（DSSC）和非晶硅（a-Si）太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池效率的提升速度驚人。據(jù)美國麻省理工學(xué)院網(wǎng)站2013年11月11日報道，科學(xué)家們在最新研究中發(fā)現(xiàn)，以一種新式鈣鈦礦（CaTi03）為原料的太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率或可高達(dá)50%，為目前市場上太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的2倍，能大幅降低太陽能電池的使用成本。而一開始，其電池的光電轉(zhuǎn)換效率只有3.8%，在2014年初，韓國化學(xué)技術(shù)研究所（KRICT）將該效率提升到17.9%[1]，2014年5月，加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的Yang等[2]己經(jīng)將此效率提升到19.3%。

二、鈣鈦礦型太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)

第一個是能量轉(zhuǎn)換效率。作為光伏領(lǐng)域的一個新成員-鈣鈦礦型太陽能電池，其能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)提高到15%以上，這是在太陽能電池領(lǐng)域很高的水平。第二個是成本，即便在商業(yè)化的電池中必須用到鉛，這也不是一個重大的問題。為了合理地處理問題，我們換一個角度思考：假設(shè)鈣鈦礦太陽能電池年產(chǎn)能達(dá)1000吉瓦，那么需要的鉛也不到10000噸；相比之下，鉛酸蓄電池每年消耗的鉛高達(dá)4百萬噸。并且與現(xiàn)在商業(yè)常用的單晶硅相比，其價格更低，更具有經(jīng)濟(jì)效益[3]，有利于這種新型電池的開發(fā)與普及。高性能而成本低已經(jīng)成為鈣鈦礦型太陽能電池主要優(yōu)勢。第三個是穩(wěn)定性[4]。有關(guān)電池儲存壽命的研究較少，目前僅有一個研究封裝的電池在45℃下最大功率光輻照時電池的工作情況。

三、鈣鈦礦型太陽能電池的缺點(diǎn)

作為新型電池，也存在著一些不足之處。第一，鈣鈦礦型太陽能電池效率不能達(dá)到一定的高度，并且這種太陽能電池產(chǎn)生的電流很低。不能滿足于現(xiàn)代需要的高強(qiáng)度高效率的利用及其他商業(yè)用處，使它的運(yùn)用方向和使用范圍有一定的局限性而導(dǎo)致不能大范圍的普及使用。第二，目前所制造的大多數(shù)鈣鈦礦電池的色調(diào)都是褐色，很難向那些設(shè)計摩天大廈的建筑師進(jìn)行推廣。例如，牛津光伏公司正在努力制造基于窗戶的鈣鈦礦光伏（PVs），牛津大學(xué)的Giles Eperon報告稱，通過分塊而不是整體加工鈣鈦礦，可制造出中性顏色、半透明的鈣鈦礦電池，其效率可達(dá)8%。但是目前還沒有能研制出適宜顏色的該鈦礦太陽能電池，這也是以后研究的重點(diǎn)。第三，鈣鈦礦的儲量并不充足。

四、近期研究狀況

起初，CH3NH3PbX：作為一種新穎的染料被運(yùn)用在染料敏化太陽能電池中，其器件結(jié)構(gòu)同典型的DSSC相似，染料附著在介觀尺寸的金屬氧化物框架上。Ti0：是最典型的框架材料，同時其還起到傳輸電子的作用[5]。此外，也可以用絕緣的A12O3[6] 或ZrO2[7]作為框架。CH3NH3PbX：納米晶附著在具有介觀尺寸的n型Ti0：上，上方沉積有p型的空穴傳輸材料（HTM ） 。入射光從下方的玻璃射入，能量大于CH3NH3PbX：禁帶寬度的光子被其吸收，從而產(chǎn)生激子。

參考文獻(xiàn)：

[1] Research Cell Efficiency Records [EB/OL].[2014-04-30]http：//www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency chart.jpg

[2] Perovskite Solar Cells Keep On Surging [EB/OL].[2014-05-02]http：//www.sciencemag.org/content/344/6183/458.summary

[3] 石將建，衛(wèi)會云，吳會覺，羅艷紅，李冬梅，孟慶波 高效無空穴傳輸材料鈣鈦礦太陽能電池異質(zhì)結(jié)特性研究 [J] 2014-04-20

[4] Science， 2013，342，317

[5] OREGAN B， GRATZEL M. A low-cost，high-efficiency dolar cell based on dye-sensitized colloidal TiOz films [J] Nature， 1991， 353（6346）：737-740

[6] LEE M M，TEUSCHER J， MIYASAKA T， et al. Efficient hybrid solar cells based on meso-superstnxctured organometal halide perovskites [J]Science， 2012， 338（6107）： 643-647.

[7] BI D， MOON S J，HAGGMAN L， et al. Using a two-step desposition technique to prepare perovskite （MAPbI3） for thin film solar cells based on ZrO2 and Ti02 mesostnxchxres [J] RSC Adv， 2013， 3（41）： 18762-18766.