据报道,澳大利亚昆士兰大学科学家在2025年4月16日出版的《自然·纳米技术》杂志刊发论文称,他们采用环保钙钛矿技术研制出一种新型卤化锡钙钛矿(THP)太阳能电池,光电转化效率达16.65%,刷新了同类电池的世界纪录,较此前最高水平提高1%。

那么什么是钙钛矿电池？

钙钛矿电池是一种利用钙钛矿结构材料实现光电转换的新型光伏电池，具有高效率、低成本、轻质柔性等特性，属于第三代太阳能电池技术。

钙钛矿电池的核心材料是具有特定晶体结构的化合物（化学式为ABX₃），这类材料因最早发现于钙钛矿石中的钛酸钙而得名，但实际应用中不含钙钛元素。其结构中A、B位为不同尺寸的阳离子，X位为卤素阴离子，通过调整组分可灵活调控带隙范围（1.5-2.3eV），从而高效吸收不同波段的太阳光。

钙钛矿电池的结构主要由以下几个关键部分组成：透明导电基底、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和金属电极。这些组成部分共同协作，使得钙钛矿电池能够有效地吸收太阳光并将其转化为电能。

典型钙钛矿电池结构

透明导电基底：这是钙钛矿电池的基础，通常采用掺氟的氧化锡（FTO）或掺铟的氧化锡（ITO）等材料制成，具有高透光性和良好的导电性。它的主要作用是引入太阳光并收集产生的电流。透明导电基底的选择对钙钛矿太阳能电池的性能至关重要，因为它不仅影响光线的入射，还影响电流的导出。

电子传输层：位于透明导电基底和钙钛矿吸光层之间，主要作用是传输电子。常用的电子传输层材料包括二氧化钛（TiO2）、氧化锌（ZnO）等，这些材料具有良好的电子迁移率和稳定性，能够将钙钛矿吸光层中产生的电子传输到透明导电基底上。

钙钛矿吸光层：这是钙钛矿太阳能电池的核心部分，主要由ABX3结构的有机卤化物钙钛矿材料构成。这些材料具有优异的光电转换性能，能够有效地将太阳光的能量转化为电能。钙钛矿吸光层的制备工艺和性能对钙钛矿太阳能电池的整体性能具有决定性影响。

空穴传输层：位于钙钛矿吸光层和金属电极之间，主要作用是传输空穴。常用的空穴传输层材料包括Spiro-OMeTAD等，这些材料能够有效地提取和传输光生空穴，从而提高电池的光电转换效率。

金属电极：这是钙钛矿太阳能电池的最后一道工序，主要负责传输电荷并连接外电路。通常是在空穴传输层外面蒸镀一层金、银或铝制成，以提高电极的导电性能。

钙钛矿电池基本结构

钙钛矿电池发电原理？

钙钛矿电池通过光生载流子的分离实现对外发电。对于半导体材料，原子周围的价电子吸收光子能量后可以发生跃迁，同时产生空穴，形成光生载流子对（电子-空穴对），当两种自由移动的载流子分别被连接至外部电路的正负电极收集，便能实现对外发电。

可分为三步：

1）光吸收与激子产生：太阳光照射进钙钛矿吸光材料，能量大于钙钛矿带隙的光子能将钙钛矿价带的电子激发，使其进入导带，并在价带产生一个空穴，这对电子和空穴以库仑相互作用束缚在一起，共同运动，称为激子。

2）载流子分离与输运：激子在热能的作用下解离成为自由的电子和空穴，钙钛矿材料中离子迁移能屏蔽器件内部电场，因而在钙钛矿层的大部分区域中，解离的电子和空穴以无规则热运动的形式进行扩散并输运至与空穴传输层（HTL）和电子传输层（ETL）界面处。

3）载流子抽取和收集：ETL的导带低于钙钛矿层的导带，价带也低于钙钛矿层的价带，能选择性抽取电子而阻挡空穴，HTL则相反，从而实现电子和空穴的选择性抽取。电子和空穴进入各自的传输层中后，经过输运被两侧电极收集，与外电路连通即有电流产生。

钙钛矿太阳能电池发电原理

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