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近日，有一篇報道：陜西師范大學材料學院的相關團隊利用體相摻雜和表面鈍化的方法，大大降低缺陷，提高了平均載流子壽命，也使得器件效率達到40.1%！


看到這則報道，說實話，是意料之外也是情理之中。早在今年4月，總結2020年中國光學十大進展應用研究成果時，鈣鈦礦材料就占據(jù)了兩個成果，分別是南京大學發(fā)布的效率達24.2%大面積全鈣鈦礦疊層太陽電池和華南理工大學發(fā)布的超快激光三維操控透明材料內(nèi)部鈣鈦礦量子點的可逆生長。這是中國制造出來的，也被記錄在最新的太陽能電池效率綜述中，由此也說明，全世界在全鈣鈦礦疊層太陽電池領域，還沒有其他國家超過中國。


那么，鈣鈦礦材料究竟是什么，鈣鈦礦太陽能電池又為何一直吸引眾人眼球？讓我們一起來看看。

什么是鈣鈦礦材料？

鈣鈦礦材料的結構是ABX3，其在高溫時很多都會出現(xiàn)對稱結構，在低溫時晶體結構會發(fā)生畸變，對稱性降低，就可能出現(xiàn)鐵電性或反鐵電性。鐵電性是某些晶體所特有的性質(zhì)，其晶胞內(nèi)部的結構無法使正負電荷的中心復合，出現(xiàn)了電偶極矩，其方向會因為外部電場發(fā)生改變，呈現(xiàn)出類似于鐵磁體的特點。


鈣鈦礦材料包括鹵化物鈣鈦礦材料和氧化物鈣鈦礦材料，他們的區(qū)別最明顯就在于帶隙的不同。太陽能電池能夠?qū)⑻柟饽苻D化為電能時，轉換效率存在一個極限，這個上限大部分是由于半導體的“帶隙”性質(zhì)導致的。帶隙對應的是最小能量，這個能量足以讓電子脫離原有的束縛成為自由電子。

不同半導體，其本身的帶隙也會不同，根據(jù)帶隙和吸收波段的關系可知，帶隙越小，太陽能電池所對應的波段區(qū)域更廣，從而能夠充分利用所存在的光能來激發(fā)電子脫離原有束縛，與之相應的，每個電子的能量也會在這個過程中變得更低。氧化鈣鈦礦材料在應用在太陽能電池過程中，其整體期間的光電轉換效率較低，其最主要的原因是其帶隙過大，達到3eV，這就會導致所能夠吸收的波段只能在紫外線區(qū)域，所占太陽光譜的比例僅僅為8%，所以大部分鈣鈦礦氧化物材料都屬于絕緣體，僅在高溫時主要以離子形式進行導電。




相比而言，雜化鹵化物鈣鈦礦材料的禁帶寬度要小的多，所能吸收的波段也更廣，更能很好地利用太陽光譜，將光能轉化為電能，所以其光電轉換效率相比于氧化物鈣鈦礦材料也更高。綜合總體情況來看，鹵化物鈣鈦礦材料，相比于氧化物鈣鈦礦材料而言，更適合作為電池的光吸收層。

鈣鈦礦太陽能電池的優(yōu)勢在哪里呢？

鈣鈦礦太陽能電池也屬于化合物半導體太陽能電池，已然成為第三代高效太陽能電池的其中一類。當陽光照射時，電池內(nèi)部的電子因受到能量激發(fā)逐漸脫離束縛，鈣鈦礦材料內(nèi)部便發(fā)生了電子空穴分離。此時受激并帶有能量的電子在內(nèi)部開始遷移，隨著遷移方向的不同，有可能會從電池的端部逸出，也有可能遇到阻礙導致其釋放出無用的能量，大部分是熱量。對于硅基太陽能電池中的硅材料來說，欲降低存在的缺陷濃度，需要進行高溫處理，溫度甚至高達900攝氏度。


然而對于鈣鈦礦材料來說，要達到降低存在的缺陷濃度，只需要大約100攝氏度的溫度處理就足夠了。此時，被激發(fā)的電子依然可以逸出界面，并且不會損失太多的能量。因為晶硅太陽能電池的效率幾近達到飽和，而鈣鈦礦材料對太陽能的可見光有良好的反應，有建筑一體化潛力，且發(fā)電成本低，這使得人們在探索太陽能電池新材料的道路上，逐步關注鈣鈦礦材料，也慢慢發(fā)揮其長，提高太陽光能轉化為電能的效率。

鈣鈦礦太陽能電池工作原理


鈣鈦礦太陽能電池的結構分為介孔結構和平面異質(zhì)結結構：

（1）介孔結構PSCs中的鈣鈦礦材料是作為光敏化劑覆蓋在多孔TiO2上，采用正置異質(zhì)結結構，即導電電極/TiO2致密層/多孔TiO2層/空穴傳輸層/金屬電極。

（2）平面異質(zhì)型薄膜太陽能電池中，鈣鈦礦既是光吸收層，又是電子和空穴的傳輸層。與多孔型介觀太陽能電池相比，這一結構不需多孔金屬氧化物骨架，因此簡化了電池的制備工藝。平面異質(zhì)結構分為正置異質(zhì)結和倒置異質(zhì)結。平面異質(zhì)結正置PSCs的一般結構是透明導電電極/電子傳輸層/鈣鈦礦層/空穴傳輸層/金屬對電極。這種電池里的鈣鈦礦層，會參與光生載流子的激發(fā)、分離以及傳輸。平面異質(zhì)結倒置結構，是基于正置nip結構衍生出來的pin結構，其一般結構是透明導電電極/空穴傳輸層/鈣鈦礦層/電子傳輸層/金屬對電極。

整個鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換原理如下：

鈣鈦礦材料的介電常數(shù)大，激發(fā)能低，在吸收光子后可以產(chǎn)生空穴電子對，并在室溫下解離。解離的電子遷移至電子傳輸層材料的導帶，空穴遷移至空穴傳輸層材料的價帶。電子和空穴分別經(jīng)過電池兩側的透明導電電極和金屬電極收集，并產(chǎn)生電流。通過下圖可以看見相關的能級匹配。


鈣鈦礦材料的未來發(fā)展的方向

鈣鈦礦材料雖然有很多優(yōu)勢，原理也很明了，但它還是存在一些不足：比如功能層之間的肖特基勢壘會降低功率、由于鈣鈦礦材料對光波的吸收不足或光干涉造成光電流損耗導致外量子效率達到峰值、功能層材料選取不同造成的性能差異不同等。所以當前，眾多研究學者針對鈣鈦礦存在的不足做了很多應對措施。

比如，鈣鈦礦弱光電池效率達到40.1%，其提高器件效率的本質(zhì)在于，大大降低太陽能電池器件內(nèi)部的體相缺陷和表面缺陷，并因此將平均載流子壽命從1.41us提高至7.72us，從而提高了鈣鈦礦太陽電池效率。這是一種提高效率的方法。


比如，采用疊層太陽能電池，除了全鈣鈦礦疊層，也可以嘗試將鈣鈦礦同其他的半導體材料疊層，比如跟硅。目前鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池效率超過了28%。

比如，在表面設置陷光結構或者內(nèi)部設置倒金字塔結構，其本質(zhì)也是為了降低內(nèi)部缺陷，減少內(nèi)部的非輻射復合以及載流子損耗的能量。

這些方向，都有助于提高鈣鈦礦太陽能電池的效率，并能夠為全世界謀福。我也同樣充滿信心，在2021年度的中國光學十大進展成果中，一定還會有鈣鈦礦太陽能電池的一席之地！

結語：

鈣鈦礦太陽能電池熱度不斷，究其根本在于，它具備作為一個光吸收材料的許多優(yōu)質(zhì)條件：直接帶隙、禁帶可調(diào)、高載流子遷移率、高載流子壽命等。而且經(jīng)過這十多年的研究，鈣鈦礦材料的許多優(yōu)勢也被挖掘出來，揚長補短，也通過和空穴傳輸層、電子傳輸層的材料、能級匹配，使得整個太陽能電池的光電轉換效率得到提高。此外，除了在太陽能電池領域，鈣鈦礦在量子學方面、材料學方面都有著新的進展，也逐漸發(fā)掘出其內(nèi)在潛力。

在鈣鈦礦材料的研究過程中，吸取前人經(jīng)驗，再開啟后續(xù)進展，是最有效也是最少走彎路的一種方式。那么，基于2020年中國光學十大進展上，未來鈣鈦礦太陽能電池的轉換效率又會提高到什么程度呢？鈣鈦礦材料又會有什么樣的發(fā)展？我們拭目以待。 

原標題：熱度不斷的鈣鈦礦太陽能電池究竟是什么？