鈣鈦礦型多晶薄膜太陽電池(1)

■ 廖顯伯 郝會穎 韓培德 向賢碧

(1. 中國科學院半導體研究所；2. 中國地質大學(北京)數理學院)

0 引言

多年來，硅晶片太陽電池一直是光伏太陽電池領域的主流。為進一步降低太陽電池的發電成本，從上世紀70年代起，陸續發展了幾種薄膜太陽電池，包括：硅基薄膜電池、碲化鎘薄膜電池、銅銦鎵硒電池、染料敏化電池和有機薄膜電池等。雖然經過多年的努力，薄膜電池在研發方面取得了重要進展，但都尚未達到預期的目標。或是由于電池效率不夠高，研發進展緩慢；或是由于電池組分中含有稀有元素，成本降不下來，將來也恐難滿足大規模太陽電池發電的需求。

近年來，出現了一種新型有機-無機混合薄膜太陽電池——金屬鹵化物鈣鈦礦型多晶薄膜太陽電池，不僅制備工藝簡單、原材料普通，而且電池的光電轉換效率只經過幾年的研究就突破了20%。2013年美國《科學》雜志把它點評為當年科學領域的十大重要突破之一。有人預計，鈣鈦礦型薄膜電池的效率最終將超過25%，它與傳統薄膜電池串疊而成的疊層電池的效率將有望達到32%。到那時，鈣鈦礦型太陽電池的發電成本將有望低于傳統化石能源的發電成本[1]。

1 鈣鈦礦型多晶薄膜太陽電池研發動向

自然狀態下的鈣鈦礦石已發現近200年了。鈣鈦礦(CaTiO3)是金屬復合氧化物，化學通式為ABX3。鈣鈦礦具有立方晶系結構，晶胞由1個面心立方和1個體心原子套構而成，如圖1所示。金屬原子A(Ca)占據立方體的8個頂角，金屬原子B(Ti)占據體心位置，非金屬原子X(O)占據6個面心位置。鈣鈦礦的這種結構與我們熟知的絕大多數半導體材料的結構不同，后者多為金剛石結構或閃鋅礦結構，是由2個面心立方晶格套構而成。

圖1 鈣鈦礦ABX3的晶格結構

目前已知有數百種鈣鈦礦結構物質，其帶隙寬度覆蓋了從半金屬到絕緣體的寬廣范圍，在凝聚態物理科學和技術領域研究及應用甚廣，例如在高溫超導、紫外光探測器、工業催化、環境保護、燃料電池等方面鈣鈦礦材料都已成為重要的研究熱點。

鈣鈦礦結構材料在太陽電池領域的應用始于2009年。當時，日本橫濱桐蔭大學Miyasaka T小組在研究染料敏化太陽電池(DSSC)時，將一種有機-無機金屬鹵化物鈣鈦礦材料——甲氨碘化鉛CH3NH3PbI3作為染料，用以敏化納米多孔TiO2層吸收光子，獲得了3.8%的光電轉換效率[2]。該效率雖不算高，但給效率處于徘徊(10%左右)局面的染料敏化電池帶來了新的希望。據稱，這里CH3NH3PbI3具有鈣鈦礦結構，(CH3NH3)是A原子，Pb是B原子，I是X原子。

2011年，CH3NH3PbI3鈣鈦礦型電池采用納米結構和液態電解質I3-/I-氧化還原對作為空穴傳輸層，將電池效率提高到6.5%[3]。

2012年，全固態CH3NH3PbI3鈣鈦礦結構電池采用有機分子螺二芴(spiro-MeOTAD)為空穴傳輸層，其效率提高到9.7%[4]。

[1] Service R F. Perovskite solar cells keep on surging[J].Science，2014，344 (6183): 458 － 459.

[2] Kojima A，Teshima K，Shirai Y，et al. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells[J]. Journal of the American Chemical Society，2009，131(17): 6050 － 6051.

[3] Im J H，Lee C R，Lee J W，et al. 6.5% effi cient perovskite quantum-dot-sensitized solar cell[J]. Nanoscale，2011，(3): 4088－4093.

[4] Kim H S，Lee C R，Im J H，et al. Lead iodide perovskite sensitized all-solid-state submicron thin fi lm mesoscopic solar cell with effi ciency exceeding 9%[R]. Science report ，2012，2 : 591. (待續 )