1。2。1钙钛矿材料

钙钛矿（CaTiO3）的历史可以追溯到1839年，是Rose 于一种岩石中发现的。目前，已知的此类矿物质已达数百种，其家族成员从导体到绝缘体范围极为广泛，并且展现出了压电、铁电热点、反磁铁、超导等不同的物理效应。钙钛矿晶体为AMX3构型，具有立方晶系结构，晶胞可看成由一个fcc的原子和一个bcc的原子组合而成。常见钙钛矿材料有很多种组合，包括X为氧元素的钙钛矿材料（A：Mg2+,Ba2+,Ca2+,Sr2+等，B：Si4+,Ti4+等；X：O2-)和X为卤素的另外一种也是比较常见的钙钛矿材料（A：Li+，Na+,K+,Rb+,Cs+等；B：Be2+，Mg2+,Ca2+,Sr2+,Ba2+，Sn2+，Pb2+等；X:F,Cl,Br,I等）。目前光伏领域用于PSCs吸光材料的主要是分子式为CH3NH3Pbl3的一种X为卤素的杂化钙钛矿，可简化为AMX3，其中A通常代表的是有机阳离子（CH3NH3+),M代表的金属阳离子(Pb2+,Sn2+)，与卤素X结合组成钙钛矿结构，几种离子在钙钛矿中的分布如图1。1所示。Pb原子位于整个钙钛矿的中心处，卤素X位于八面体结构的最顶角处，甲基集团位于面心立方晶格的顶角处。其中A和X两种离子可以通过配位结合成典型的八面体，B与X也能结合形成正八面体结构。这种钙钛矿结构有着比较典型特点例如1）每个钙钛矿结构之间之间是通过顶点原子连接，构成牢固的连续的结构，这种连接十分稳定。2）八面体间隙大，有一定的兼容性，即使在结晶过程中产生缺陷也能保持一定的稳定性。论文网

    相比于有机染料等，CH3NH3Pbl3作为一种非常典型的钙钛矿材料也具有一些独有的特征，因此必然表现出不一样的特性：①具有低的激子束缚能（只有1。9 eV）。当钙钛矿中光子受到光照时，在室温条件下能量大的激子就能分解成自由电子和空穴。②高的载流子迁徙率：分离出的电子和空穴的平均质量比较小小，因此电子和空穴的更容易迁移，分别能够达到7。5 cm2V-1S-1和12。5-66 cm2V-1S-1[10]③具有宽的吸收光谱且吸收系数比较高：文献指出，CH3NH3Pbl3的禁带宽度比较小，只有1。5eV,能吸收波长小于800 nm的太阳光，基本能够遍及可见光区域[11]。不仅如此，在360nm处的吸收系数高达4。3×105cm-1。相比于其他有机染料其光吸收能力高了近10倍以上④钙钛矿太阳能电池器件有较高的开路电压：在2013年就有课题组测试其器件的开路电压已经达到1。3 ev，与GaAs 电池相接近, 并且远远高于其它电池。

1。2。2钙钛矿太阳能电池的基本结构以及电池工作原理

钙钛矿太阳能电池传统结构由几个重要部分组成：钙钛矿吸光层，电子传输材料，空穴传输材料，电极材料等，主要结构示意图见图1。2。目前，目前的钙钛矿太阳能电池根据其结构组成不一样可以分为两种比较典型的结构。第一种是介观结构，这种结构最先是由DSSC演化而来。由于钙钛矿结构与致密层的结合不好，必须加强两者接触与结合。具有介孔尺寸的TiO2或Al2O3多孔的结构，非常适合作为钙钛矿沉积的框架框架，因此钙钛矿沉积在其之上; 第二种是平面异质结结构[12-13]，在此种结构中，钙钛矿结构有两个重要作用，不仅能够给电子提供传输的通道，同时还能够给空穴提供传输的通道;除此之外，现在还有一种新的类型的钙钛矿太阳能电池，是为了降低成本研究出来的不包括空穴传输层的太阳能电池[14-15]。

 太阳能电池中的吸收光能的部分对其有着重要的影响。太阳能电池能否吸收近紫外——可见光——近红外区太阳光取决于钙钛矿材料的禁带宽度，禁带宽度越小，吸光性能越好。近来研究出的NH2CHNH2PbI3（FAPbI3）具有更小的禁带宽度（1。48 eV,，吸收截止波长为838 nm）,具有很好的光电转换性能。研究表明，同时利用MA和FA形成的（MA）X(FA)1-XPbI3为吸光层制成的电池短路电流达到19 mA/cm2，开路电压达1V, 电池的填充因子达到70%，优化了电池的性能[16]。通常使用TiO2致密层来传输钙钛矿层中被激发出来的电子，同时，TiO2致密层还能起到阻挡空穴的作用，TiO2多孔层作为骨架支撑钙钛矿材料，可以有利于控制钙钛矿薄膜的形貌，同时也能够传输电子。虽然多孔TiO2层在电池中也起到了重要的作用，但是随后有实验表证明，TiO2多孔层并不是必不可少的，Al2O3多孔层取代TiO2多孔层的介孔超结构杂化太阳能电池，将电池的效率提高到10。9%[17]。由于Al2O3与CH3NH3PbI3的导带能级不匹配，因此两者之间不能传输电子，从而可以减少电子从钙钛矿传输到电子传输层的过程中会造成能量损耗。介孔ZrO2也被研究用于制备钙钛矿层的骨架，这种电池的基本结构与前述Al2O3作为骨架的太阳能电池相类似。电池中空穴产生及收集效率对电池的转换效率有很大的影响，目前有很多种空穴传输层已经成功在太阳能电池中运用例如2, 2’, 7, 7’- tetrakis-(N,Ndi-p-methoxyphenylamine)-9, 9’-spiro-bifluorene(spiro-OMeTAD), poly-(triarylamine) (PTAA)等[18-20]。但是用于制作空穴传输层中的材料价格比较高，这对钙钛矿太阳能电池的制备和生产带来一定的成本压力，因此，研发一种不包含空穴传输层的电池是光伏领域的一项非常有意义的课题[21]。