钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池（PSC）是一种类型的太阳能电池，其包括钙钛矿结构的化合物，最常用的是杂化有机-无机铅或锡卤化物类材料，作为捕光有源层。钙钛矿材料，如甲基铵卤化铅和全无机卤化铯铯，生产便宜且易于制造。

使用这些材料的设备的太阳能电池效率从2009年的3.8％提高到2020年的25.5％，在单结架构中，在硅基串联电池中达到29.1％，超过了单结硅太阳能电池实现的xxx效率。因此，钙钛矿太阳能电池是目前发展最快的太阳能技术。钙钛矿型太阳能电池具有实现更高效率和极低生产成本的潜力，已成为商业上的吸引力。

金属卤化物钙钛矿具有独特的功能，使其可用于太阳能电池。所使用的原材料以及可能的制造方法（例如各种印刷技术）都是低成本的。它们的高吸收系数使大约500 nm的超薄薄膜能够吸收完整的可见太阳光谱。这些特征的结合导致创造低成本、高效率、薄型、轻量和柔性太阳能模块的可能性。钙钛矿太阳能电池已用于为低功耗无线电子设备供电，用于环境供电的物联网应用。

钙钛矿太阳能电池的名称源自吸收剂材料的ABX ₃ 晶体结构，被称为钙钛矿结构，其中A和B为阳离子，X为阴离子。发现半径在1.60Å和2.50Å之间的阳离子形成钙钛矿结构。最常研究的钙钛矿吸收剂是甲基铵三卤化铅（CH ₃ NH ₃ PbX ₃，其中X是卤素离子，例如碘离子、溴离子或氯离子），具有光学带隙介于〜1.55和2.3 eV之间，具体取决于卤化物含量。甲ami三卤化铅（H ₂ NCHNH ₂ PbX ₃）也显示出希望，带隙在1.48和2.2 eV之间。最小带隙比甲基铵三卤化铅更接近单结电池的最佳带隙，因此它应具有更高的效率。钙钛矿在固态太阳能电池中的首次使用是在使用CsSnI ₃作为p型空穴传输层和吸收剂的染料敏化电池中。普遍关注的是将铅作为钙钛矿材料的组成部分；基于锡基钙钛矿吸收剂的太阳能电池据报道，NH ₃ SnI ₃具有较低的功率转换效率。

多结太阳能电池能够实现更高的功率转换效率（PCE），将阈值提高到超出单结电池的Shockley-Queissier极限所设定的热力学xxx值。通过在单个电池中具有多个带隙，它可以防止损耗。在单结太阳能电池的带隙能之上或之下的光子。在串联（双）结太阳能电池中，已记录到31.1％的PCE，三结增加到37.9％，四结太阳电池增加到38.8％，令人印象深刻。但是，金属有机化学气相沉积合成具有多个结的晶格匹配和晶体太阳能电池所需的（MOCVD）工艺非常昂贵，这使其无法广泛应用。

钙钛矿半导体提供的选择有可能与多结太阳能电池的效率相媲美，但可以在更常见的条件下以xxx降低的成本进行合成。与上述的双，三和四结太阳能电池相比，全钙钛矿串联电池的xxxPCE为31.9％，全钙钛矿三结电池达到33.1％，钙钛矿-Si三结电池达到效率为35.3％。这些多结钙钛矿太阳能电池除了可用于具有成本效益的合成外，还可以在各种极端气候条件下保持较高的PCE，从而使其在全球范围内均可使用。

如果正确使用有机手性配体，则有望提高卤化物钙钛矿太阳能电池的xxx功率转换效率。无机半导体中的手性可以通过晶格表面附近的对映异构体变形，底物与手性配体之间的电子耦合，组装为手性二级结构或手性表面缺陷来产生。通过将手性苯乙胺配体连接到非手性溴化钙钛矿铅纳米片上，形成手性无机-有机钙钛矿。通过圆二色谱（CD）光谱检查无机有机钙钛矿，发现了两个区域。一个代表电荷转移在配体和纳米片之间（300-350nm），另一个代表钙钛矿的激子吸收xxx值。这些系统中电荷转移的证据表明有望增加钙钛矿太阳能电池的功率转换效率。

钙钛矿太阳能电池（PSC）的一大挑战是短期和长期稳定性。PSC的不稳定性主要与环境影响（水分和氧气）有关，基于甲基铵的钙钛矿的热应力和固有稳定性，在施加电压下加热，光影响（紫外线）和机械脆性。已经进行了一些关于PSC稳定性的研究，并且已经证明某些元素对PSC的稳定性很重要。但是，没有用于PSC的标准“操作”稳定性协议。但是最近提出了一种量化杂化卤化物钙钛矿固有化学稳定性的方法。

吸收剂材料的有机成分的水溶性使设备极易在潮湿环境中迅速降解。可以通过在制造步骤中优化组成材料、电池的结构、界面和环境条件来减少由水分引起的降解。用碳纳米管和惰性聚合物基体的复合材料包裹钙钛矿吸收剂可以防止材料在高温下被潮湿空气立即降解。然而，尚未证明钙钛矿太阳能电池的长期研究和全面的封装技术。带有介孔TiO的设备₂层与所述钙钛矿吸收敏化，也都是UV -unstable，由于在TiO内部光生空穴之间的相互作用₂和氧自由基的TiO的表面上₂。

在室温下在CH ₃ NH ₃ PbI _3中测得的0.5 W /（Km）的超低导热系数可以防止沉积的光快速传播，并使电池对热应力具有抵抗力，从而缩短其使用寿命。钙钛矿薄膜中的PbI ₂残留物已通过实验证明对装置的长期稳定性具有负面影响。据称可以通过用金属氧化物层代替有机传输层来解决稳定问题，从而使电池在60天后保持90％的容量。此外，可以通过使用多功能氟化光敏聚合物涂料解决两个不稳定性问题，该涂料在设备的正面具有发光和易于清洁的功能，同时在背面接触侧形成了对环境水分的强疏水性屏障。前涂层可以通过将整个入射太阳光谱的紫外线转换成可见光来防止整个入射太阳光谱的紫外线与PSC电池堆发生负作用，而后层可以防止水渗透到太阳能电池堆中。在实验室进行的180天老化测试和超过3个月的实际室外条件测试中，所得器件在电源转换效率方面表现出出色的稳定性。

2015年7月，主要障碍是xxx的钙钛矿太阳能电池只有指甲大小，并且在潮湿环境中会迅速降解。然而，EPFL的研究人员于2017年6月发表了一项研究，成功地证明了大型钙钛矿太阳能电池组件在一年内未观察到退化（短路情况）。现在，研究团队与其他组织一起旨在开发一种可完全印刷的钙钛矿太阳能电池，其效率达到22％，老化测试后的性能达到90％。

2019年初，迄今为止报告的最长的稳定性测试显示，在至少1个太阳光照射下，基于氙气灯的太阳模拟器在没有紫外线过滤的情况下，在xxx功率点跟踪（MPPT）的条件下，至少连续运行4000小时，就可以稳定输出功率。值得注意的是，在稳定性测试中使用的光收集器是经典的基于甲基铵（MA）的钙钛矿MAPbI ₃，但是器件的构建没有有机基的选择性层，也没有金属背接触。在这些条件下，仅热应力是造成封装器件工作稳定性下降的主要因素。

钙钛矿材料的固有脆性要求外在增强以保护该关键层免受机械应力。将机械增强支架直接插入钙钛矿太阳能电池的活性层中导致形成的复合太阳能电池的抗断裂性提高了30倍，从而将钙钛矿太阳能电池的断裂特性重新定位到与常规c-Si，CIGS相同的区域中和CdTe太阳能电池。