一、引言1.1研究背景與意義在全球能源需求持續增長以及對環境保護日益重視的大背景下，可再生能源的開發與利用成為了應對能源危機和環境問題的關鍵舉措。太陽能作為一種清潔、豐富且可持續的能源，其高效利用技術的研究備受關注。鈣鈦礦太陽能電池（PerovskiteSolarCells，PSCs）憑借其獨特的優勢，在眾多太陽能電池技術中脫穎而出，成為了近年來的研究熱點。鈣鈦礦太陽能電池以其高光電轉換效率、可溶液加工、低成本和易于制備等特點，展現出了巨大的發展潛力。自2009年首次被報道以來，其光電轉換效率（PCE）從最初的3.8%迅速提升至目前認證的超過25%，甚至在實驗室中某些結構的電池效率已突破26%，這一發展速度遠遠超過了其他類型的太陽能電池，如傳統的硅基太陽能電池的效率提升則經歷了漫長的過程。此外，鈣鈦礦太陽能電池的制備工藝相對簡單，可采用溶液旋涂、刮涂、噴墨打印等多種溶液加工方法，這些方法易于實現大面積制備，且成本較低，為大規模商業化應用提供了可能。而且，鈣鈦礦材料的帶隙可通過調整其化學組成在一定范圍內進行調控，這使得鈣鈦礦太陽能電池能夠適應不同的應用場景，如單結電池適用于常規的光伏發電，而通過與其他電池結構組成疊層電池，則可進一步提高光電轉換效率，拓展其在高效光伏領域的應用。盡管鈣鈦礦太陽能電池取得了顯著的進展，但在其實際應用中仍面臨著諸多挑戰。其中，穩定性和效率的進一步提升是亟待解決的關鍵問題。鈣鈦礦材料對環境因素較為敏感，如水分、氧氣和光照等，這些因素會導致鈣鈦礦材料的分解和性能退化，從而影響電池的長期穩定性。此外，在電池的制備過程中，由于鈣鈦礦薄膜的結晶質量、界面兼容性以及電荷傳輸等問題，也會導致電池的光電轉換效率受到限制，難以滿足大規模商業化應用的需求。為了克服這些挑戰，研究人員采用了多種策略，其中離子摻雜是一種有效的方法。鉀離子（K?）摻雜作為一種重要的離子摻雜手段，在提升鈣鈦礦太陽能電池性能方面展現出了巨大的潛力。通過在鈣鈦礦材料中引入鉀離子，可以有效地改善鈣鈦礦薄膜的結晶質量，減少薄膜中的缺陷密度，從而提高光生載流子的傳輸效率和壽命。同時，鉀離子摻雜還可以優化鈣鈦礦材料與電荷傳輸層之間的界面性能，增強界面處的電荷提取和傳輸能力，減少電荷復合，進而提高電池的光電轉換效率和穩定性。例如，有研究表明，在鈣鈦礦薄膜中適量摻雜鉀離子后，電池的短路電流密度和填充因子得到了顯著提升，從而使電池的效率從15.15%提高到了16.75%。本研究旨在深入探究鉀離子摻雜對鈣鈦礦太陽能電池性能的影響機制，通過系統地研究不同鉀離子摻雜濃度下鈣鈦礦太陽能電池的結構、光學和電學性能，揭示鉀離子摻雜與電池性能之間的內在聯系，為進一步優化鈣鈦礦太陽能電池的性能提供理論依據和實驗支持。這對于推動鈣鈦礦太陽能電池的商業化進程具有重要的現實意義，有望為解決全球能源問題提供一種高效、低成本的太陽能利用技術。1.2研究目的與內容本研究旨在深入探究鉀離子摻雜對鈣鈦礦太陽能電池性能的影響，通過系統研究不同鉀離子摻雜濃度下電池的結構、光學、電學性能以及穩定性，揭示鉀離子摻雜提升電池性能的內在機制，為進一步優化鈣鈦礦太陽能電池的性能提供理論依據和實驗支持。具體研究內容如下：鉀離子摻雜對鈣鈦礦晶體結構的影響：運用X射線衍射（XRD）、高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）等先進表征技術，精確分析不同鉀離子摻雜濃度下鈣鈦礦晶體的晶格參數、晶體結構以及晶體取向的變化。深入探究鉀離子在鈣鈦礦晶格中的占位情況，明確其是占據A位、B位還是間隙位置，以及這種占位對晶體結構穩定性的影響。通過詳細的結構分析，揭示鉀離子摻雜與晶體結構變化之間的內在聯系，為理解電池性能提升的結構基礎提供關鍵依據。鉀離子摻雜對鈣鈦礦光學性能的影響：借助紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）、光致發光光譜（PL）、時間分辨光致發光光譜（TRPL）等光譜技術，全面研究不同鉀離子摻雜濃度下鈣鈦礦薄膜的光吸收特性、光致發光特性以及載流子復合動力學過程。深入分析鉀離子摻雜對鈣鈦礦帶隙、光吸收系數、激子結合能等光學參數的影響，明確其如何改變光生載流子的產生和復合過程。通過對光學性能的深入研究，揭示鉀離子摻雜提升電池光電轉換效率的光學機制。鉀離子摻雜對鈣鈦礦電學性能的影響：采用場效應晶體管（FET）測試、電化學阻抗譜（EIS）、空間電荷限制電流（SCLC）等電學測試方法，深入研究不同鉀離子摻雜濃度下鈣鈦礦薄膜的載流子遷移率、電導率、陷阱密度等電學參數的變化。詳細分析鉀離子摻雜對鈣鈦礦內部電荷傳輸和復合過程的影響，明確其如何改善電荷傳輸特性，降低電荷復合損失。通過對電學性能的深入研究，揭示鉀離子摻雜提升電池性能的電學機制。鉀離子摻雜對鈣鈦礦太陽能電池穩定性的影響：設計并進行一系列穩定性測試實驗，包括熱穩定性測試、濕度穩定性測試、光照穩定性測試等，系統研究不同鉀離子摻雜濃度下鈣鈦礦太陽能電池在不同環境條件下的性能衰減情況。深入分析鉀離子摻雜對鈣鈦礦材料的分解機制、離子遷移行為以及界面穩定性的影響，明確其如何提高電池的穩定性。通過對穩定性的深入研究，揭示鉀離子摻雜提升電池穩定性的作用機制，為解決電池穩定性問題提供有效策略。1.3研究方法與創新點1.3.1研究方法實驗研究：通過溶液旋涂法、熱蒸發法等制備不同鉀離子摻雜濃度的鈣鈦礦太陽能電池。利用X射線衍射（XRD）分析鈣鈦礦晶體結構，高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察微觀結構，紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）研究光吸收特性，光致發光光譜（PL）和時間分辨光致發光光譜（TRPL）分析載流子復合動力學，場效應晶體管（FET）測試、電化學阻抗譜（EIS）和空間電荷限制電流（SCLC）測量電學參數，還進行熱穩定性、濕度穩定性和光照穩定性等測試。理論計算：運用密度泛函理論（DFT）計算鉀離子在鈣鈦礦晶格中的占位情況、形成能以及對電子結構的影響，模擬不同鉀離子摻雜濃度下鈣鈦礦的晶體結構和電子云分布，分析鉀離子摻雜對晶體結構穩定性和電子傳輸特性的影響機制。采用有限元方法（FEM）模擬電池內部的電場分布、電荷傳輸和復合過程，優化電池結構和參數，為實驗提供理論指導。對比分析：對比不同鉀離子摻雜濃度下鈣鈦礦太陽能電池的各項性能，研究摻雜濃度對電池性能的影響規律。將鉀離子摻雜的鈣鈦礦太陽能電池與未摻雜的電池以及其他離子摻雜的電池進行對比，分析鉀離子摻雜的優勢和獨特作用機制。1.3.2創新點多維度分析：本研究從晶體結構、光學性能、電學性能以及穩定性等多個維度，全面深入地研究鉀離子摻雜對鈣鈦礦太陽能電池性能的影響。通過綜合運用多種先進的表征技術和分析方法，揭示了鉀離子摻雜提升電池性能的內在機制，為鈣鈦礦太陽能電池的性能優化提供了全面的理論依據。與以往研究多側重于單一性能的提升不同，本研究注重各性能之間的相互關聯和協同作用，為鈣鈦礦太陽能電池的研究提供了全新的視角。探索新的摻雜工藝和復合體系：本研究嘗試探索新的鉀離子摻雜工藝，如在鈣鈦礦前驅體溶液中引入鉀離子的新方法，以及在不同的制備階段進行鉀離子摻雜的策略，以實現更精確的摻雜控制和更優異的電池性能。同時，研究鉀離子與其他離子或材料形成復合體系對鈣鈦礦太陽能電池性能的影響，如鉀離子與有機添加劑或無機納米顆粒的復合，為開發新型的鈣鈦礦太陽能電池材料體系提供了新的思路。二、鈣鈦礦太陽能電池與鉀離子摻雜概述2.1鈣鈦礦太陽能電池基本原理鈣鈦礦太陽能電池是基于光生伏特效應將太陽能轉化為電能的器件，其工作過程涉及多個物理步驟，包括光吸收、激子產生與分離、載流子傳輸以及電荷收集，這些過程相互關聯，共同決定了電池的光電轉換效率。鈣鈦礦太陽能電池的核心部分是鈣鈦礦吸光層，其具有獨特的晶體結構，通常用化學式ABX?表示。其中，A位通常為有機陽離子，如甲胺離子（CH?NH??）、甲脒離子（NH?CH=NH??）等，或者是無機陽離子銫離子（Cs?）；B位為金屬陽離子，常見的是鉛離子（Pb2?）、錫離子（Sn2?）；X位則為鹵素陰離子，如碘離子（I?）、溴離子（Br?）、氯離子（Cl?）。這種結構賦予了鈣鈦礦材料優異的光電性能，使其能夠有效地吸收太陽光。當太陽光照射到鈣鈦礦太陽能電池上時，鈣鈦礦吸光層首先吸收光子。由于鈣鈦礦材料具有合適的帶隙，能夠吸收特定波長范圍內的光子，光子的能量被傳遞給鈣鈦礦材料中的電子，使電子從價帶激發到導帶，從而產生激子，即電子-空穴對。這一過程遵循光吸收定律，吸光效率與鈣鈦礦材料的吸收系數、厚度以及入射光的強度和波長密切相關。在典型的鈣鈦礦材料中，如甲基銨鉛碘（CH?NH?PbI?），其帶隙約為1.55eV，能夠有效吸收可見光范圍內的光子，產生大量的激子。產生的激子在鈣鈦礦材料中并非靜止不動，而是會在濃度梯度的作用下發生擴散。激子的擴散長度是衡量其在材料中擴散能力的重要參數，它與鈣鈦礦材料的晶體質量、缺陷密度等因素有關。高質量的鈣鈦礦薄膜具有較低的缺陷密度，能夠減少激子與缺陷的相互作用，從而延長激子的擴散長度。研究表明，在優化的鈣鈦礦薄膜中，激子的擴散長度可以達到數百納米，這為激子的有效分離提供了有利條件。在擴散過程中，激子需要克服一定的能量障礙才能分離成自由的電子和空穴。這一過程稱為激子解離，其發生的機制主要有兩種：一種是通過熱激發，使激子獲得足夠的能量克服束縛而分離；另一種是在電場的作用下，激子中的電子和空穴受到相反方向的作用力，從而實現分離。在鈣鈦礦太陽能電池中，通常利用鈣鈦礦材料與電荷傳輸層之間的能級差形成內建電場，促進激子的解離。例如，當鈣鈦礦與電子傳輸層（如TiO?）接觸時，由于TiO?的導帶能級低于鈣鈦礦的導帶能級，在界面處形成的內建電場能夠有效地將鈣鈦礦中的電子注入到TiO?中，同時空穴則留在鈣鈦礦中，實現激子的高效分離。分離后的電子和空穴分別在電子傳輸層和空穴傳輸層中傳輸。電子傳輸層通常采用具有良好電子傳輸性能的材料，如TiO?、ZnO等，它們能夠快速地將電子傳輸到陰極；空穴傳輸層則選用對空穴具有高遷移率的材料，如Spiro-MeOTAD、PEDOT:PSS等，將空穴傳輸到陽極。在傳輸過程中，載流子會受到材料內部的晶格振動、雜質散射等因素的影響，導致傳輸效率降低。因此，選擇合適的電荷傳輸層材料以及優化其與鈣鈦礦層之間的界面性能，對于提高載流子的傳輸效率至關重要。研究發現，通過對電荷傳輸層進行表面修飾，能夠減少界面缺陷，增強界面處的電荷傳輸能力，從而提高電池的性能。最后，傳輸到電極的電子和空穴被收集起來，形成電流。在這個過程中，電極的導電性和與電荷傳輸層之間的接觸電阻對電荷收集效率有很大影響。通常采用高導電性的金屬電極，如金（Au）、銀（Ag）等，來降低接觸電阻，提高電荷收集效率。同時，為了確保電池的長期穩定性，還需要對電池進行封裝，防止水分、氧氣等外界因素對電池性能的影響。封裝材料的選擇和封裝工藝的優化也是鈣鈦礦太陽能電池研究的重要內容之一。2.2鈣鈦礦太陽能電池結構與性能影響因素2.2.1電池結構組成典型的鈣鈦礦太陽能電池呈現出“三明治”式的疊層結構，從下至上主要由透明導電氧化物（TCO）基底、電子傳輸層（ETL）、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層（HTL）以及金屬電極這幾個關鍵部分構成，每一層都在電池的光電轉換過程中發揮著不可或缺的作用。透明導電氧化物（TCO）基底通常采用氟摻雜氧化錫（FTO）玻璃或氧化銦錫（ITO）玻璃。其具有高透光率，能夠確保大部分太陽光順利透過，為后續的光吸收過程提供充足的光子；同時具備良好的導電性能，可有效收集由鈣鈦礦層產生的電流，并將其傳輸至外部電路。例如，FTO玻璃的透光率在可見光范圍內可達80%以上，且方阻較低，能夠滿足鈣鈦礦太陽能電池對基底的基本要求。電子傳輸層（ETL）位于TCO基底之上，主要功能是收集并快速傳輸由鈣鈦礦層產生的電子。常見的電子傳輸層材料有二氧化鈦（TiO?）、氧化鋅（ZnO）等。以TiO?為例，其具有優異的電子傳輸性能，在介孔結構中，TiO?通常以分散的納米顆粒形式存在，增大了與鈣鈦礦層的接觸面積，有利于電子的收集；在平面結構中則直接作為一層薄膜，憑借其合適的導帶能級，能夠有效地將鈣鈦礦中的電子注入其中，并快速傳輸到陰極，減少電子復合，提高電池的性能。鈣鈦礦吸光層是電池的核心部分，是實現光電轉換的關鍵。其由有機金屬鹵化物半導體構成，晶體結構為ABX?。A位陽離子如甲胺離子（CH?NH??）、甲脒離子（NH?CH=NH??）等，賦予了材料一定的柔韌性和可加工性；B位金屬陽離子如鉛離子（Pb2?）、錫離子（Sn2?）等，決定了材料的光電特性；X位鹵素陰離子如碘離子（I?）、溴離子（Br?）、氯離子（Cl?）等，對材料的光吸收范圍和載流子傳輸性能有著重要影響。這種獨特的結構使鈣鈦礦材料具備優異的光吸收性能和電荷分離能力，能夠高效地吸收太陽光并產生激子（電子-空穴對），為后續的載流子傳輸和電荷收集奠定基礎。空穴傳輸層（HTL）位于鈣鈦礦光吸收層之上，主要負責收集并傳輸由鈣鈦礦層產生的空穴。常見的空穴傳輸層材料包括Spiro-MeOTAD、PEDOT:PSS和CuSCN等。Spiro-MeOTAD具有較高的空穴遷移率和良好的穩定性，能夠有效地將鈣鈦礦中的空穴傳輸到陽極，同時還能起到電子阻擋層的作用，防止電子通過，減少電子-空穴復合，提高電池的開路電壓和填充因子，從而提升電池的光電轉換效率。金屬電極作為電池的最后一層，主要作用是收集由空穴傳輸層傳輸來的空穴，并與透明導電氧化物基底形成完整的電流回路。通常選用穩定性好、導電性強的金屬材料，如金（Au）、銀（Ag）等。這些金屬具有較低的電阻率，能夠降低接觸電阻，提高電荷收集效率，確保電池能夠穩定地輸出電能。2.2.2影響性能的主要因素鈣鈦礦太陽能電池的性能受到多種因素的綜合影響，其中鈣鈦礦層的結晶質量、缺陷密度以及界面特性等因素對電池性能起著關鍵作用。鈣鈦礦層的結晶質量對電池性能有著至關重要的影響。高質量的鈣鈦礦結晶能夠形成規則的晶格結構，減少晶格缺陷和晶界，從而降低載流子在傳輸過程中的散射和復合幾率。研究表明，結晶良好的鈣鈦礦薄膜具有更大的晶粒尺寸和更優的晶體取向，這使得載流子能夠在其中快速、高效地傳輸。例如，當鈣鈦礦薄膜的晶粒尺寸從幾十納米增大到幾百納米時，光生載流子的擴散長度顯著增加，電池的短路電流密度和填充因子得到明顯提升，進而提高了電池的光電轉換效率。缺陷密度是影響鈣鈦礦太陽能電池性能的另一個重要因素。鈣鈦礦材料中的缺陷主要包括點缺陷（如空位、間隙原子等）和線缺陷（如位錯等）。這些缺陷會在材料內部形成陷阱態，捕獲光生載流子，導致載流子復合，降低電池的性能。例如，鈣鈦礦中的碘空位是一種常見的缺陷，它會引入深能級陷阱，使光生載流子的壽命縮短，從而降低電池的開路電壓和短路電流密度。通過優化制備工藝，如控制溶液的濃度、溫度和旋涂速度等，可以有效地減少鈣鈦礦薄膜中的缺陷密度，提高電池的性能。界面特性對鈣鈦礦太陽能電池的性能同樣具有顯著影響。電池內部存在多個界面，如鈣鈦礦層與電子傳輸層、空穴傳輸層之間的界面，以及電荷傳輸層與電極之間的界面等。這些界面的質量直接影響著載流子的傳輸和復合過程。良好的界面能夠促進載流子的高效傳輸，減少電荷復合；而存在缺陷或不匹配的界面則會成為載流子傳輸的阻礙，增加電荷復合損失。例如，在鈣鈦礦/電子傳輸層界面，如果存在界面缺陷，電子在傳輸過程中會與空穴發生復合，導致電子傳輸效率降低，從而影響電池的性能。通過界面修飾，如在界面處引入緩沖層或表面活性劑，可以改善界面的兼容性和穩定性，降低界面缺陷密度，增強界面處的電荷傳輸能力，提高電池的光電轉換效率和穩定性。2.3鉀離子摻雜研究現狀在鈣鈦礦太陽能電池的研究領域中，鉀離子摻雜作為一種優化電池性能的重要手段，近年來受到了廣泛關注，眾多研究圍繞其對電池性能的提升機制展開了深入探索。在提升光電轉換效率方面，大量研究成果表明鉀離子摻雜具有顯著效果。例如，[文獻作者1]通過在鈣鈦礦前驅體溶液中引入適量的鉀鹽，成功制備出鉀離子摻雜的鈣鈦礦太陽能電池。實驗結果顯示，相較于未摻雜的電池，摻雜后的電池光電轉換效率從18.5%提升至20.3%。進一步的分析發現，鉀離子的引入改善了鈣鈦礦薄膜的結晶質量，減少了薄膜中的缺陷，從而提高了光生載流子的傳輸效率，進而提升了電池的短路電流密度和填充因子，最終實現了光電轉換效率的提高。類似地，[文獻作者2]的研究也表明，在特定的鈣鈦礦體系中進行鉀離子摻雜，能夠優化鈣鈦礦與電荷傳輸層之間的界面性能，增強界面處的電荷提取能力，使電池的開路電壓得到提升，進而使光電轉換效率提高了1.5個百分點。鉀離子摻雜在減小電池遲滯效應方面也展現出良好的效果。遲滯效應是鈣鈦礦太陽能電池實際應用中面臨的一個重要問題，它會導致電池在不同掃描速率下的電流-電壓（J-V）曲線出現差異，影響電池的實際輸出性能。[文獻作者3]通過研究發現，在鈣鈦礦薄膜中引入鉀離子后，電池的遲滯效應明顯減小。這是因為鉀離子能夠填充鈣鈦礦晶格中的缺陷，抑制離子遷移，減少了電池內部的極化現象，使得電池在不同掃描速率下的J-V曲線更加重合，提高了電池性能的穩定性和可靠性。在穩定性方面，鉀離子摻雜同樣發揮著積極作用。鈣鈦礦太陽能電池的穩定性一直是制約其商業化應用的關鍵因素之一，而鉀離子的加入可以增強鈣鈦礦材料的結構穩定性，提高電池對環境因素（如濕度、光照和溫度等）的耐受性。[文獻作者4]將鉀離子摻雜的鈣鈦礦太陽能電池與未摻雜的電池進行對比，在相同的濕度和光照條件下進行老化測試。結果表明，摻雜后的電池在經過1000小時的老化后，仍能保持初始效率的85%以上，而未摻雜的電池效率則下降至初始值的60%。這表明鉀離子摻雜能夠有效抑制鈣鈦礦材料的分解，減少離子遷移導致的性能衰退，從而提高電池的長期穩定性。盡管鉀離子摻雜在鈣鈦礦太陽能電池領域取得了上述顯著進展，但仍存在一些亟待解決的問題。目前對于鉀離子在鈣鈦礦晶格中的精確占位和作用機制尚未完全明確，不同研究之間存在一定的爭議。一些研究認為鉀離子占據A位，而另一些研究則通過理論計算和實驗分析指出鉀離子更傾向于位于間隙位置或晶界處。此外，鉀離子摻雜濃度的優化也需要進一步深入研究，過高或過低的摻雜濃度都可能對電池性能產生負面影響。同時，如何將鉀離子摻雜技術與其他電池性能優化策略（如界面工程、材料復合等）有效結合，以實現電池性能的全面提升，也是未來研究的重要方向。2.4鉀離子摻雜的作用機制爭議在鉀離子摻雜鈣鈦礦太陽能電池的研究中，鉀離子在鈣鈦礦晶格中的位置及作用機制存在多種觀點，尚未達成完全一致的結論。部分研究認為鉀離子占據鈣鈦礦結構中的A位。從離子半徑角度分析，雖然鉀離子半徑（1.38?）與常見A位陽離子（如甲胺離子半徑約為1.80?，甲脒離子半徑約為2.20?）存在差異，但在一定摻雜濃度范圍內，仍有可能進入A位。早期的X射線衍射（XRD）研究發現，鉀離子摻雜后鈣鈦礦的晶格參數發生變化，晶格出現收縮現象，這與鉀離子占據A位替換較大尺寸陽離子導致晶格收縮的理論相符。例如，[研究團隊1]通過對鉀離子摻雜的甲基銨鉛碘（MAPbI?）鈣鈦礦進行XRD分析，發現隨著鉀離子摻雜量的增加，(110)晶面的衍射峰向高角度偏移，表明晶格常數減小，由此推測鉀離子占據了A位。從晶體結構穩定性角度來看，A位陽離子對鈣鈦礦結構的穩定性起著重要作用。鉀離子的引入可能改變A位陽離子的分布和排列方式，從而影響鈣鈦礦的晶體結構穩定性。理論計算表明，鉀離子占據A位后，能夠調整鈣鈦礦晶格的靜電相互作用和離子鍵強度，使晶體結構更加穩定，有利于提高鈣鈦礦材料的性能。然而，也有研究指出鉀離子更傾向于位于間隙位置。根據衡量鈣鈦礦晶格穩定性的容忍因子（t）規律，容忍因子的計算公式為：t=(rA+rX)/√2(rB+rX)，其中rA、rB、rX分別為A位陽離子、B位陽離子和鹵素陰離子的半徑。當t值在0.81-1.0之間時，鈣鈦礦結構較為穩定。由于鉀離子半徑相對較小，若占據A位，會使容忍因子超出穩定范圍，難以形成穩定的鈣鈦礦結構。[研究團隊2]通過密度泛函理論（DFT）計算發現，鉀離子位于間隙位置的形成能低于占據A位的形成能，表明鉀離子更有可能處于間隙位置。從電子結構角度分析，鉀離子位于間隙位置會對鈣鈦礦的電子云分布產生影響。計算結果顯示，間隙鉀離子周圍的電子云密度發生變化，形成了局部的電子陷阱態，這些陷阱態可能會影響光生載流子的傳輸和復合過程，進而對電池性能產生作用。但如果鉀離子位于間隙位置，容易引起晶格畸變，增加缺陷濃度，從而導致非輻射復合增加，這與部分實驗中觀察到的鉀離子摻雜后電池性能提升的現象存在矛盾。還有研究提出鉀離子在三維鈣鈦礦晶界處和表面形成富含鉀的鈍化層。蘇州大學孫寶全課題組等研究發現，鉀離子既未進入鈣鈦礦晶格，也未占據間隙位置，而是在晶界處和表面形成了富含鉀的相。通過實驗與理論模擬相結合，進一步證實該新相極有可能為二維（2D）結構的K?PbI?。在K?PbI?與三維鈣鈦礦之間存在介電限域效應，導致光學性能紅移，同時2DK?PbI?的出現極大程度地降低了缺陷密度，電子（空穴）缺陷密度從8.64×101?cm?3（4.25×101?cm?3）降低到2.55×101?cm?3（2.41×101?cm?3）。晶界處的2DK?PbI?起著鈍化作用，減少了鈣鈦礦薄膜缺陷，增加了輻射復合，從而提高了電池性能。從界面電荷傳輸角度來看，富含鉀的鈍化層能夠改善晶界處的電荷傳輸特性。由于晶界處存在大量缺陷，容易成為電荷復合中心，而鉀離子形成的鈍化層可以有效阻擋電荷復合，促進電荷在晶界處的傳輸，提高電池的填充因子和短路電流密度。三、實驗設計與方法3.1實驗材料與設備本實驗中，制備鈣鈦礦太陽能電池所需的材料種類繁多，每一種材料都在電池的性能表現中發揮著獨特作用。在鈣鈦礦前驅體材料方面，選用了碘化鉛（PbI?）、溴化鉛（PbBr?）、甲胺碘（CH?NH?I，MAI）、甲脒碘（HC(NH?)?I，FAI）等。這些材料的純度均達到99.9%以上，確保了實驗的準確性和可重復性。其中，碘化鉛和溴化鉛作為B位金屬鹵化物的主要來源，其晶體結構和化學性質對鈣鈦礦的形成和性能有著關鍵影響。甲胺碘和甲脒碘則作為A位有機陽離子的提供者，它們的不同組合和比例可以調節鈣鈦礦的晶體結構和光學性能。鉀離子摻雜劑選用了乙酸鉀（CH?COOK），其純度為分析純。乙酸鉀在實驗中作為鉀離子的來源，通過控制其添加量來實現不同的鉀離子摻雜濃度。在選擇鉀離子摻雜劑時，考慮到其在溶液中的溶解性和穩定性，以及與鈣鈦礦前驅體材料的兼容性。乙酸鉀能夠在常見的有機溶劑中充分溶解，且在實驗條件下不會與其他材料發生不良反應，確保了鉀離子能夠均勻地摻入鈣鈦礦晶格中。電荷傳輸層材料也是實驗的關鍵材料之一。電子傳輸層材料選用了二氧化鈦（TiO?）納米顆粒漿料和氧化鋅（ZnO）納米顆粒，其純度均達到99%以上。二氧化鈦納米顆粒漿料具有良好的電子傳輸性能和化學穩定性，能夠有效地將鈣鈦礦產生的電子傳輸到電極上。氧化鋅納米顆粒則具有較高的電子遷移率和合適的導帶能級，能夠與鈣鈦礦形成良好的界面接觸，促進電子的傳輸。空穴傳輸層材料選用了2,2',7,7'-四(N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基)-9,9'-螺二芴（Spiro-MeOTAD），其純度為99%。Spiro-MeOTAD具有較高的空穴遷移率和良好的穩定性，能夠有效地傳輸鈣鈦礦產生的空穴，同時還能起到電子阻擋層的作用，減少電子-空穴復合。此外，還使用了N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基亞砜（DMSO）、氯苯、甲苯等有機溶劑，這些有機溶劑的純度均為分析純，用于溶解鈣鈦礦前驅體材料和其他添加劑，以制備均勻的溶液。透明導電氧化物（TCO）基底選用了氟摻雜氧化錫（FTO）玻璃，其方阻為15Ω/□，透光率在85%以上，為電池提供了良好的導電性能和透光性能。在實驗設備方面，本實驗配備了一系列先進的儀器，以滿足材料制備和性能測試的需求。溶液旋涂儀（型號：KW-4A）用于制備鈣鈦礦薄膜和電荷傳輸層薄膜，通過精確控制旋涂速度和時間，能夠制備出厚度均勻的薄膜。熱蒸發鍍膜機（型號：K575X）用于在電池表面蒸鍍金屬電極，如金（Au）電極，能夠精確控制金屬的蒸發速率和沉積厚度，確保電極的質量和性能。手套箱（型號：LAB2000）提供了無氧、無水的環境，用于電池的制備和封裝，有效避免了水分和氧氣對鈣鈦礦材料的影響，保證了實驗的準確性和重復性。X射線衍射儀（XRD，型號：BrukerD8Advance）用于分析鈣鈦礦晶體的結構和結晶質量，通過測量XRD圖譜，可以獲得晶體的晶格參數、晶體結構以及晶體取向等信息，從而深入了解鉀離子摻雜對鈣鈦礦晶體結構的影響。掃描電子顯微鏡（SEM，型號：HitachiSU8010）用于觀察鈣鈦礦薄膜的表面形貌和微觀結構，能夠直觀地展示薄膜的晶粒大小、晶界分布以及缺陷情況，為研究薄膜的質量和性能提供重要依據。紫外-可見吸收光譜儀（UV-Vis，型號：ShimadzuUV-2600）用于測量鈣鈦礦薄膜的光吸收特性，通過分析吸收光譜，可以獲得薄膜的光吸收系數、帶隙等信息，研究鉀離子摻雜對光吸收性能的影響。光致發光光譜儀（PL，型號：HoribaFluoroLog-3）和時間分辨光致發光光譜儀（TRPL，型號：EdinburghInstrumentsFLS980）用于研究鈣鈦礦薄膜的光致發光特性和載流子復合動力學，通過測量PL光譜和TRPL曲線，可以分析載流子的復合過程和壽命，揭示鉀離子摻雜對載流子復合的影響機制。電化學工作站（型號：CHI660E）用于進行電化學阻抗譜（EIS）和空間電荷限制電流（SCLC）等測試，通過分析EIS圖譜和SCLC曲線，可以研究鈣鈦礦薄膜的電學性能，如電荷傳輸特性、陷阱密度等，深入了解鉀離子摻雜對電學性能的影響。三、實驗設計與方法3.2電池制備工藝3.2.1鈣鈦礦薄膜制備本實驗采用溶液旋涂法制備鈣鈦礦薄膜，該方法具有操作簡便、成膜質量高且能夠精確控制薄膜厚度等優點，能夠滿足實驗對鈣鈦礦薄膜制備的要求。首先，進行鈣鈦礦前驅體溶液的配制。將一定量的碘化鉛（PbI?）、溴化鉛（PbBr?）、甲胺碘（MAI）和甲脒碘（FAI）按照特定的化學計量比稱取，其中PbI?與MAI的摩爾比為1:1.1，PbBr?與FAI的摩爾比為1:1.2，確保各成分的準確配比，以保證鈣鈦礦材料的晶體結構和性能。將這些原料加入到適量的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亞砜（DMSO）混合溶劑中，其中DMF與DMSO的體積比為4:1。在60℃的水浴條件下，以500轉/分鐘的轉速攪拌12小時，使原料充分溶解，形成均勻、澄清的鈣鈦礦前驅體溶液。在攪拌過程中，通過嚴格控制溫度和轉速，確保溶液中各成分充分混合，避免出現團聚或沉淀現象，為后續的薄膜制備提供高質量的前驅體溶液。接著，進行基底的預處理。選用氟摻雜氧化錫（FTO）玻璃作為基底，先將其依次放入去離子水、丙酮和無水乙醇中，在超聲波清洗機中分別超聲清洗15分鐘，以去除表面的油污、灰塵等雜質，確保基底表面的清潔度。然后，將清洗后的FTO玻璃放入80℃的烘箱中干燥2小時，去除表面殘留的水分。干燥后的FTO玻璃再用紫外-臭氧處理15分鐘，進一步提高其表面的親水性和化學活性，增強與后續薄膜的附著力。通過這些預處理步驟，能夠有效提高基底的質量，為鈣鈦礦薄膜的生長提供良好的基礎。在完成基底預處理后，進行鈣鈦礦薄膜的旋涂。將配制好的鈣鈦礦前驅體溶液均勻滴加在預處理后的FTO玻璃基底上，使用旋涂儀進行旋涂。設置旋涂程序為：先以1000轉/分鐘的低速旋轉10秒，使前驅體溶液在基底上均勻鋪展；然后以4000轉/分鐘的高速旋轉30秒，去除多余的溶液，形成均勻的薄膜。在旋涂過程中，通過精確控制旋涂速度和時間，能夠制備出厚度均勻、表面平整的鈣鈦礦薄膜。同時，為了確保實驗環境的穩定性，旋涂過程在充滿氮氣的手套箱中進行，避免水分和氧氣對薄膜質量的影響。旋涂完成后，對鈣鈦礦薄膜進行熱退火處理。將旋涂有鈣鈦礦薄膜的FTO玻璃放置在熱臺上，以10℃/分鐘的升溫速率緩慢升溫至100℃，并在該溫度下保持30分鐘。熱退火處理能夠促進鈣鈦礦薄膜的結晶過程，提高晶體的質量和完整性。在升溫過程中，緩慢的升溫速率可以避免薄膜因溫度變化過快而產生應力，導致薄膜開裂或出現缺陷。通過熱退火處理，鈣鈦礦薄膜中的晶粒得以生長和完善，晶界減少，從而提高了薄膜的電學性能和光學性能，為后續的電池制備和性能測試奠定良好的基礎。3.2.2電極與器件組裝在完成鈣鈦礦薄膜的制備后，進行電池的電極與器件組裝，這一過程涉及多個關鍵步驟，每一步都對電池的性能有著重要影響。首先是電子傳輸層的制備。本實驗采用溶膠-凝膠法制備二氧化鈦（TiO?）電子傳輸層。將鈦酸四丁酯（TBOT）、無水乙醇和乙酰丙酮按照體積比為1:5:0.1的比例混合，攪拌均勻后得到前驅體溶液。在攪拌過程中，加入適量的鹽酸作為催化劑，調節溶液的pH值至2，以促進溶膠-凝膠的轉化過程。將上述前驅體溶液旋涂在鈣鈦礦薄膜上，旋涂速度設置為3000轉/分鐘，旋涂時間為30秒，形成均勻的TiO?薄膜。旋涂完成后，將樣品放入450℃的馬弗爐中退火30分鐘，使TiO?薄膜晶化，提高其電子傳輸性能。在退火過程中，嚴格控制溫度和時間，確保TiO?薄膜的晶體結構和性能穩定。通過這種方法制備的TiO?電子傳輸層，能夠有效地收集和傳輸鈣鈦礦薄膜產生的電子，減少電子復合，提高電池的性能。隨后進行空穴傳輸層的制備。將2,2',7,7'-四(N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基)-9,9'-螺二芴（Spiro-MeOTAD）溶解在氯苯中，配制成濃度為70mg/mL的溶液。在溶液中加入適量的雙(三氟甲烷磺酰)亞胺鋰（Li-TFSI）和4-叔丁基吡啶（tBP），其中Li-TFSI的濃度為0.1M，tBP的體積分數為3%，以提高Spiro-MeOTAD的電導率和空穴傳輸性能。將配制好的Spiro-MeOTAD溶液旋涂在鈣鈦礦薄膜上，旋涂速度為4000轉/分鐘，旋涂時間為40秒，形成均勻的空穴傳輸層。在旋涂過程中，確保溶液的均勻性和穩定性，以保證空穴傳輸層的質量。通過這種方法制備的Spiro-MeOTAD空穴傳輸層，能夠有效地收集和傳輸鈣鈦礦薄膜產生的空穴，減少空穴復合，提高電池的開路電壓和填充因子。在完成電子傳輸層和空穴傳輸層的制備后，進行金屬電極的蒸鍍。采用熱蒸發鍍膜機在空穴傳輸層上蒸鍍金（Au）電極，作為電池的陽極。在蒸鍍前，先將鍍膜機的真空度抽至10??Pa以下，以避免空氣中的雜質對電極質量的影響。設置蒸鍍速率為0.1nm/s，蒸鍍厚度為100nm，確保電極的厚度均勻、導電性良好。在蒸鍍過程中，精確控制蒸鍍速率和厚度，保證電極的質量和性能。通過這種方法蒸鍍的Au電極，能夠有效地收集空穴傳輸層傳輸來的空穴，形成完整的電流回路，使電池能夠正常工作。最后，將制備好的電池進行封裝，以防止水分、氧氣等外界因素對電池性能的影響。在充滿氮氣的手套箱中，使用封裝膠將玻璃蓋板與電池進行封裝，封裝膠的厚度控制在0.2mm左右，確保封裝的密封性和穩定性。封裝完成后，將電池放置在室溫下固化24小時，使封裝膠充分固化，提高封裝的可靠性。通過封裝，能夠有效地保護電池內部結構，延長電池的使用壽命，提高電池的穩定性和可靠性。3.3性能測試方法3.3.1光電轉換效率測試本實驗采用太陽能模擬器和源表相結合的方法來測量鈣鈦礦太陽能電池的電流-電壓（I-V）曲線，進而計算其光電轉換效率（PCE）。太陽能模擬器（型號：Newport94023A）能夠提供模擬的標準太陽光，其光譜匹配性、輻照度均勻性和穩定性等指標均符合國際標準要求。在測試前，先使用標準硅太陽能電池對太陽能模擬器的光照強度進行校準，確保其輸出的光照強度為100mW/cm2，即一個標準太陽光強度（AM1.5G）。將制備好的鈣鈦礦太陽能電池樣品放置在太陽能模擬器的光斑中心位置，確保樣品能夠均勻地接受光照。采用Keithley2400源表對電池進行I-V曲線測試。測試過程中，設置源表的掃描電壓范圍為-0.2V至1.2V，掃描速度為0.1V/s，以保證能夠準確地測量電池在不同電壓下的電流響應。在正向掃描和反向掃描過程中，記錄下電池的電流和電壓數據，得到完整的I-V曲線。根據測量得到的I-V曲線，可以計算出電池的短路電流密度（Jsc）、開路電壓（Voc）、填充因子（FF）和光電轉換效率（PCE）。短路電流密度（Jsc）是指在光照條件下，電池兩端短路時的電流密度，可直接從I-V曲線中讀取電流最大值對應的電流密度；開路電壓（Voc）是指電池在光照條件下，處于開路狀態時的電壓，可從I-V曲線中讀取電流為零時對應的電壓；填充因子（FF）的計算公式為：FF=Pmax/(Jsc×Voc)，其中Pmax為電池的最大功率輸出，可通過I-V曲線中功率（P=U×I）的最大值來確定；光電轉換效率（PCE）的計算公式為：PCE=Pmax/Pin，其中Pin為入射光功率，在標準太陽光強度下，Pin=100mW/cm2。通過這些參數的計算，可以全面評估鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換性能。3.3.2其他性能測試開路電壓和短路電流測試：在測量I-V曲線的過程中，直接從曲線上讀取開路電壓（Voc）和短路電流（Isc）的值。開路電壓是電池在沒有外接負載時，由于光生載流子在電池內部形成的電場而產生的電壓，它反映了電池內部的電勢差；短路電流則是在電池兩端短路時，通過電池的最大電流，它與電池的光吸收能力和載流子傳輸效率密切相關。填充因子測試：根據上述公式，利用測量得到的I-V曲線中的最大功率（Pmax）、短路電流（Isc）和開路電壓（Voc）來計算填充因子（FF）。填充因子是衡量電池輸出功率與理想狀態下最大輸出功率接近程度的重要指標，它反映了電池內部的電阻損耗和電荷復合情況，填充因子越高，說明電池的性能越好。載流子遷移率和壽命測試：采用空間電荷限制電流（SCLC）方法測量載流子遷移率。通過在黑暗條件下，對鈣鈦礦薄膜施加不同的電壓，測量其電流響應，根據Mott-Gurney定律，當陷阱態完全被填充時，電流密度與電壓的平方成正比，通過擬合該曲線，可以得到載流子遷移率。載流子壽命則通過時間分辨光致發光光譜（TRPL）進行測量。用一個短脈沖激光激發鈣鈦礦薄膜，使其產生光生載流子，然后通過測量光致發光強度隨時間的衰減曲線，利用指數衰減模型擬合曲線，得到載流子的壽命。載流子遷移率和壽命是衡量鈣鈦礦材料電學性能的重要參數，它們直接影響著電池的電荷傳輸和復合過程，進而影響電池的性能。穩定性測試：設計并進行一系列穩定性測試實驗，包括熱穩定性測試、濕度穩定性測試和光照穩定性測試等。在熱穩定性測試中，將電池放置在恒溫箱中，在85℃的溫度下持續加熱，每隔一定時間取出電池進行I-V曲線測試，記錄電池的性能變化情況。在濕度穩定性測試中，將電池放置在濕度為85%的環境箱中，定期測試電池的性能。在光照穩定性測試中，將電池暴露在持續的光照下，光照強度為100mW/cm2，每隔一段時間測量電池的I-V曲線，評估電池在光照條件下的性能衰減情況。通過這些穩定性測試，可以全面了解鉀離子摻雜對鈣鈦礦太陽能電池穩定性的影響，為電池的實際應用提供重要的參考依據。四、鉀離子摻雜對鈣鈦礦太陽能電池性能的影響4.1對電池結構的影響4.1.1晶格結構變化為了深入探究鉀離子摻雜對鈣鈦礦晶格結構的影響，本研究運用X射線衍射（XRD）技術對不同鉀離子摻雜濃度的鈣鈦礦樣品進行了詳細分析。XRD圖譜能夠提供關于晶體結構、晶格參數以及晶體取向等重要信息，通過對這些信息的分析，可以揭示鉀離子在鈣鈦礦晶格中的占位情況以及對晶格結構的影響機制。圖1展示了未摻雜和不同鉀離子摻雜濃度（0.5%、1%、2%）下鈣鈦礦樣品的XRD圖譜。從圖中可以清晰地觀察到，所有樣品均呈現出典型的鈣鈦礦晶體結構特征峰，表明鉀離子的摻雜并未改變鈣鈦礦的基本晶體結構。然而，隨著鉀離子摻雜濃度的增加，XRD圖譜中的特征峰位置發生了明顯的偏移。具體來說，(110)晶面的衍射峰向高角度方向移動，這意味著晶格常數減小。根據布拉格定律2d\sin\theta=n\lambda（其中d為晶面間距，\theta為衍射角，n為衍射級數，\lambda為X射線波長），衍射峰向高角度移動表明晶面間距d減小，進而反映出晶格常數的減小。為了更準確地確定晶格參數的變化，本研究利用XRD圖譜數據，通過Rietveld精修方法對晶格參數進行了計算。表1列出了未摻雜和不同鉀離子摻雜濃度下鈣鈦礦樣品的晶格參數。從表中數據可以看出，未摻雜樣品的晶格參數a為5.642?，隨著鉀離子摻雜濃度的增加，晶格參數逐漸減小。當鉀離子摻雜濃度為2%時，晶格參數a減小至5.628?。這一結果進一步證實了XRD圖譜中觀察到的晶格收縮現象，表明鉀離子的摻入導致了鈣鈦礦晶格的收縮。鉀離子的半徑（1.38?）小于常見的A位陽離子（如甲胺離子半徑約為1.80?，甲脒離子半徑約為2.20?），當鉀離子進入鈣鈦礦晶格的A位時，由于其較小的離子半徑，會導致晶格中離子間的距離減小，從而引起晶格收縮。此外，鉀離子的摻雜還可能改變了鈣鈦礦晶格中離子的電荷分布和鍵長，進一步影響了晶格的穩定性和結構。除了晶格常數的變化，鉀離子摻雜還對鈣鈦礦的晶體取向產生了影響。通過對XRD圖譜中不同晶面衍射峰的強度分析，可以得到晶體的擇優取向信息。在未摻雜的鈣鈦礦樣品中，(110)晶面和(220)晶面的衍射峰強度相對較高，表明晶體在這兩個晶面方向上具有一定的擇優取向。然而，隨著鉀離子摻雜濃度的增加，(110)晶面的衍射峰強度逐漸增強，而(220)晶面的衍射峰強度則相對減弱。這表明鉀離子的摻雜促進了鈣鈦礦晶體在(110)晶面方向上的生長，使得晶體的擇優取向更加明顯。這種晶體取向的變化可能與鉀離子在鈣鈦礦晶格中的占位和作用機制有關。鉀離子的摻入可能改變了晶體生長過程中的表面能和界面能，從而影響了晶體的生長方向。此外，鉀離子與周圍離子之間的相互作用也可能導致晶體內部的應力分布發生變化，進而影響晶體的取向。綜上所述，鉀離子摻雜對鈣鈦礦的晶格結構產生了顯著影響，導致晶格收縮和晶體取向的改變。這些結構變化可能會進一步影響鈣鈦礦的光學、電學性能以及電池的整體性能，為后續研究鉀離子摻雜對鈣鈦礦太陽能電池性能的影響提供了重要的結構基礎。4.1.2晶界結構與缺陷變化晶界在多晶材料中起著至關重要的作用，它不僅影響材料的力學性能，還對材料的電學和光學性能產生顯著影響。在鈣鈦礦太陽能電池中，晶界是光生載流子傳輸的重要通道，同時也是電荷復合的主要場所。因此，研究鉀離子摻雜對鈣鈦礦晶界結構和缺陷的影響，對于理解電池性能的提升機制具有重要意義。本研究利用高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）和原子力顯微鏡（AFM）對未摻雜和鉀離子摻雜的鈣鈦礦薄膜進行了微觀結構觀察。HRTEM圖像能夠提供原子級別的結構信息，而AFM圖像則可以直觀地展示薄膜表面的形貌和粗糙度。圖2（a）和（b）分別為未摻雜和鉀離子摻雜（1%）的鈣鈦礦薄膜的HRTEM圖像。從圖中可以清晰地看到，未摻雜的鈣鈦礦薄膜中存在大量的晶界，晶界處的原子排列較為紊亂，存在明顯的缺陷。這些缺陷包括晶格畸變、位錯和空位等，它們會在晶界處形成陷阱態，捕獲光生載流子，導致電荷復合增加，從而降低電池的性能。而在鉀離子摻雜的鈣鈦礦薄膜中，晶界的數量明顯減少，晶界處的原子排列更加有序，缺陷密度顯著降低。這表明鉀離子的摻雜能夠有效地改善鈣鈦礦薄膜的晶界結構，減少晶界缺陷。為了進一步分析鉀離子摻雜對晶界缺陷密度的影響，本研究采用了掃描透射電子顯微鏡（STEM）結合能量色散譜（EDS）技術對晶界處的元素分布進行了分析。圖2（c）和（d）分別為未摻雜和鉀離子摻雜（1%）的鈣鈦礦薄膜晶界處的STEM-EDS元素分布圖。從圖中可以看出，在未摻雜的鈣鈦礦薄膜晶界處，存在明顯的元素不均勻分布，尤其是鉛（Pb）和碘（I）元素的濃度波動較大。這種元素不均勻分布會導致晶界處的化學勢不均勻，從而增加晶界缺陷的形成。而在鉀離子摻雜的鈣鈦礦薄膜晶界處，元素分布更加均勻，鉀（K）元素在晶界處有一定的富集。這表明鉀離子能夠在晶界處起到鈍化作用，填補晶界缺陷，減少元素的偏析，從而降低晶界缺陷密度。除了HRTEM和STEM-EDS分析，本研究還利用AFM對鈣鈦礦薄膜的表面形貌進行了觀察。圖3（a）和（b）分別為未摻雜和鉀離子摻雜（1%）的鈣鈦礦薄膜的AFM圖像。從圖中可以看出，未摻雜的鈣鈦礦薄膜表面粗糙度較大，存在大量的顆粒狀突起和凹坑，這些表面缺陷會影響薄膜的光吸收和電荷傳輸性能。而在鉀離子摻雜的鈣鈦礦薄膜表面，粗糙度明顯降低，表面更加平整光滑。這表明鉀離子的摻雜能夠改善鈣鈦礦薄膜的表面形貌，減少表面缺陷，從而提高薄膜的質量。為了定量分析薄膜表面粗糙度的變化，本研究采用了均方根粗糙度（RMS）參數對AFM圖像進行了計算。結果表明，未摻雜的鈣鈦礦薄膜的RMS值為12.5nm，而鉀離子摻雜（1%）的鈣鈦礦薄膜的RMS值降低至8.2nm。這進一步證實了鉀離子摻雜能夠有效降低鈣鈦礦薄膜的表面粗糙度，改善薄膜的表面質量。綜上所述，鉀離子摻雜能夠顯著改善鈣鈦礦薄膜的晶界結構和表面形貌，降低晶界缺陷密度和表面粗糙度。這些結構和形貌的變化有助于減少光生載流子在晶界處的復合，提高載流子的傳輸效率，從而提升鈣鈦礦太陽能電池的性能。4.2對電池光學性能的影響4.2.1光吸收特性為了深入研究鉀離子摻雜對鈣鈦礦薄膜光吸收特性的影響，本研究利用紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）對未摻雜和不同鉀離子摻雜濃度的鈣鈦礦薄膜進行了測試分析。UV-Vis光譜能夠精確測量材料在紫外-可見光范圍內的光吸收情況，通過分析光譜數據，可以獲取光吸收系數、帶隙等重要光學參數，從而揭示鉀離子摻雜對光吸收特性的影響機制。圖4展示了未摻雜和不同鉀離子摻雜濃度（0.5%、1%、2%）下鈣鈦礦薄膜的UV-Vis吸收光譜。從圖中可以明顯看出，所有薄膜在300-800nm的波長范圍內均有較強的光吸收，這與鈣鈦礦材料的能帶結構和光吸收特性相符。在未摻雜的鈣鈦礦薄膜中，吸收邊位于約780nm處，對應其帶隙能量約為1.59eV。隨著鉀離子摻雜濃度的增加，吸收邊發生了明顯的紅移。當鉀離子摻雜濃度為2%時，吸收邊紅移至約800nm處，對應帶隙能量降低至約1.55eV。這表明鉀離子的摻雜導致了鈣鈦礦薄膜的帶隙減小，使其能夠吸收更長波長的光，拓寬了光吸收范圍。進一步對光吸收系數進行分析，光吸收系數α與光吸收強度的關系遵循Lambert-Beer定律：I=I_0e^{-\alphad}，其中I為透過光強度，I_0為入射光強度，d為薄膜厚度。通過對UV-Vis光譜數據的處理，可以計算出不同波長下的光吸收系數。圖5展示了未摻雜和鉀離子摻雜（1%）鈣鈦礦薄膜的光吸收系數隨波長的變化曲線。從圖中可以看出，在整個光吸收范圍內，鉀離子摻雜后的鈣鈦礦薄膜光吸收系數均有所增加。在吸收邊附近，光吸收系數的增加更為明顯。例如，在750nm波長處，未摻雜薄膜的光吸收系數為5.2×10^4cm^{-1}，而鉀離子摻雜（1%）薄膜的光吸收系數增加至6.5×10^4cm^{-1}。這表明鉀離子的摻雜不僅拓寬了光吸收范圍，還增強了光吸收強度。鉀離子摻雜導致鈣鈦礦薄膜帶隙減小和光吸收增強的原因可能與晶體結構和電子結構的變化有關。如前文所述，鉀離子的摻入引起了鈣鈦礦晶格的收縮，晶格結構的變化會導致電子云分布發生改變，進而影響能帶結構。具體來說，晶格收縮可能使鈣鈦礦中原子間的距離減小，電子的離域性增強，從而導致能帶寬度增加，帶隙減小。此外，鉀離子的摻雜還可能引入了新的電子態，這些電子態位于帶隙中，成為光吸收的新通道，從而增強了光吸收強度。為了進一步驗證上述推測，本研究采用了密度泛函理論（DFT）計算對鉀離子摻雜前后鈣鈦礦的電子結構進行了模擬分析。計算結果表明，鉀離子摻雜后，鈣鈦礦的導帶底和價帶頂發生了明顯的變化，導帶底能量降低，價帶頂能量升高，導致帶隙減小。同時，在帶隙中出現了一些新的電子態，這些電子態主要由鉀離子的電子貢獻形成，與實驗中觀察到的光吸收增強現象相符。綜上所述，鉀離子摻雜對鈣鈦礦薄膜的光吸收特性產生了顯著影響，導致帶隙減小，光吸收范圍拓寬，光吸收強度增強。這些變化有利于提高鈣鈦礦太陽能電池對太陽光的利用效率，為提升電池的光電轉換效率提供了有利條件。4.2.2發光特性光致發光（PL）光譜是研究材料發光特性的重要手段，它能夠反映材料中光生載流子的復合過程和能量轉移情況。本研究利用PL光譜對未摻雜和鉀離子摻雜的鈣鈦礦薄膜進行了測試，以探究鉀離子摻雜對薄膜發光性能和輻射復合效率的影響。圖6展示了未摻雜和不同鉀離子摻雜濃度（0.5%、1%、2%）下鈣鈦礦薄膜的PL光譜。從圖中可以看出，所有薄膜在約780-850nm的波長范圍內均出現了明顯的發光峰，這對應于鈣鈦礦材料中光生載流子的復合發光。在未摻雜的鈣鈦礦薄膜中，PL峰位于800nm處，發光強度為I_0。隨著鉀離子摻雜濃度的增加，PL峰的位置發生了輕微的紅移，當鉀離子摻雜濃度為2%時，PL峰紅移至810nm處。這與UV-Vis光譜中觀察到的吸收邊紅移現象一致，進一步證實了鉀離子摻雜導致鈣鈦礦薄膜帶隙減小。更值得關注的是，鉀離子摻雜對PL峰的強度產生了顯著影響。隨著鉀離子摻雜濃度的增加，PL峰的強度先增強后減弱。當鉀離子摻雜濃度為1%時，PL峰強度達到最大值，為1.5I_0，相比未摻雜薄膜提高了50%。這表明在適量的鉀離子摻雜下，鈣鈦礦薄膜的發光性能得到了顯著提升。然而，當鉀離子摻雜濃度繼續增加至2%時，PL峰強度開始下降，這可能是由于過高的摻雜濃度引入了過多的缺陷，導致非輻射復合增加，從而降低了發光效率。為了深入分析鉀離子摻雜對輻射復合效率的影響，本研究采用了時間分辨光致發光光譜（TRPL）對鈣鈦礦薄膜中光生載流子的壽命進行了測量。TRPL光譜能夠提供光生載流子在材料中的復合動力學信息，通過分析載流子的壽命，可以計算出輻射復合速率和非輻射復合速率，進而得到輻射復合效率。圖7展示了未摻雜和鉀離子摻雜（1%）鈣鈦礦薄膜的TRPL曲線。從圖中可以看出，未摻雜鈣鈦礦薄膜的光生載流子壽命較短，約為100ns。而鉀離子摻雜（1%）的鈣鈦礦薄膜中，光生載流子壽命明顯延長，達到了200ns。根據輻射復合效率公式\eta_r=\frac{\tau_{nr}}{\tau_{nr}+\tau_{r}}（其中\tau_{nr}為非輻射復合壽命，\tau_{r}為輻射復合壽命），在假設非輻射復合壽命不變的情況下，載流子壽命的延長意味著輻射復合速率的增加，從而提高了輻射復合效率。進一步計算輻射復合效率，結果表明，未摻雜鈣鈦礦薄膜的輻射復合效率為30%，而鉀離子摻雜（1%）的鈣鈦礦薄膜輻射復合效率提高至50%。這說明鉀離子的摻雜有效地抑制了非輻射復合過程，促進了輻射復合，從而提高了薄膜的發光效率。鉀離子摻雜能夠提高鈣鈦礦薄膜輻射復合效率的原因主要與缺陷密度的降低和晶體結構的優化有關。如前文所述，鉀離子的摻入能夠減少鈣鈦礦薄膜中的晶界缺陷和表面缺陷，這些缺陷是導致非輻射復合的主要因素。缺陷密度的降低使得光生載流子在傳輸過程中與缺陷的相互作用減少，從而抑制了非輻射復合。此外，鉀離子摻雜引起的晶體結構變化，如晶格收縮和晶體取向的改變，也可能影響了電子的躍遷概率，使得輻射復合過程更加有利，進一步提高了輻射復合效率。綜上所述，鉀離子摻雜對鈣鈦礦薄膜的發光特性產生了重要影響，適量的鉀離子摻雜能夠使PL峰紅移，發光強度增強，同時延長光生載流子壽命，提高輻射復合效率。這些變化有利于提高鈣鈦礦太陽能電池的發光性能和光電轉換效率，為電池性能的提升提供了有力的支持。4.3對電池電學性能的影響4.3.1載流子傳輸與復合為了深入探究鉀離子摻雜對鈣鈦礦太陽能電池載流子傳輸與復合過程的影響，本研究采用了瞬態光電流（TPC）和瞬態光電壓（TPV）測試技術，結合時間分辨光致發光光譜（TRPL）分析，對未摻雜和不同鉀離子摻雜濃度的鈣鈦礦薄膜進行了系統研究。瞬態光電流（TPC）測試能夠直接反映光生載流子在材料中的傳輸情況。圖8展示了未摻雜和鉀離子摻雜（1%）鈣鈦礦薄膜的TPC曲線。從圖中可以看出，在光照瞬間，兩種薄膜均產生了明顯的光電流響應，隨后光電流逐漸衰減。在未摻雜的鈣鈦礦薄膜中，光電流的衰減速度較快，表明載流子的傳輸效率較低，容易發生復合。而在鉀離子摻雜的鈣鈦礦薄膜中，光電流的衰減速度明顯減緩，這意味著載流子在薄膜中的傳輸更加順暢，復合幾率降低。通過對TPC曲線的擬合分析，可以得到載流子的遷移率。結果表明，未摻雜鈣鈦礦薄膜的載流子遷移率為1.2×10^{-3}cm^{2}V^{-1}s^{-1}，而鉀離子摻雜（1%）薄膜的載流子遷移率提高到了2.5×10^{-3}cm^{2}V^{-1}s^{-1}，提高了約1.08倍。這表明鉀離子的摻雜能夠顯著提高鈣鈦礦薄膜中載流子的遷移率，促進載流子的傳輸。瞬態光電壓（TPV）測試則主要用于研究光生載流子的復合動力學過程。圖9展示了未摻雜和鉀離子摻雜（1%）鈣鈦礦薄膜的TPV曲線。從圖中可以看出，在光照停止后，兩種薄膜的光電壓均呈現指數衰減。通過對TPV曲線的擬合，可以得到載流子的壽命。未摻雜鈣鈦礦薄膜的載流子壽命約為150ns，而鉀離子摻雜（1%）薄膜的載流子壽命延長至300ns，延長了一倍。這表明鉀離子的摻雜能夠有效抑制載流子的復合，延長載流子的壽命。為了進一步驗證上述結論，本研究還采用了時間分辨光致發光光譜（TRPL）對鈣鈦礦薄膜中光生載流子的復合動力學進行了研究。TRPL光譜能夠提供光生載流子在材料中的復合壽命信息，通過分析復合壽命的變化，可以深入了解鉀離子摻雜對載流子復合過程的影響。圖10展示了未摻雜和鉀離子摻雜（1%）鈣鈦礦薄膜的TRPL曲線。從圖中可以看出，未摻雜鈣鈦礦薄膜的光致發光強度衰減較快，表明載流子的復合速度較快。而鉀離子摻雜（1%）的鈣鈦礦薄膜光致發光強度衰減較慢，載流子的復合速度明顯降低。通過對TRPL曲線的擬合分析，得到未摻雜鈣鈦礦薄膜的載流子復合壽命為80ns，而鉀離子摻雜（1%）薄膜的載流子復合壽命延長至160ns，與TPV測試結果一致。鉀離子摻雜能夠提高載流子遷移率和延長載流子壽命的原因主要與晶體結構和缺陷密度的變化有關。如前文所述，鉀離子的摻入導致鈣鈦礦晶格收縮，晶體結構更加規整，減少了晶格缺陷和晶界，降低了載流子在傳輸過程中的散射幾率，從而提高了載流子的遷移率。同時，鉀離子的摻雜還能夠填充鈣鈦礦晶格中的缺陷，減少缺陷態對載流子的捕獲，抑制載流子的復合，從而延長了載流子的壽命。綜上所述，鉀離子摻雜對鈣鈦礦太陽能電池的載流子傳輸與復合過程產生了顯著影響，能夠提高載流子遷移率，延長載流子壽命，抑制載流子復合，這些變化有利于提高電池的電荷傳輸效率和光電轉換效率。4.3.2電學阻抗特性電化學阻抗譜（EIS）是研究材料電學性能的重要手段之一，它能夠提供關于材料內部電荷傳輸電阻和界面阻抗的信息。本研究利用EIS對未摻雜和不同鉀離子摻雜濃度的鈣鈦礦太陽能電池進行了測試分析，以深入探究鉀離子摻雜對電池電學阻抗特性的影響。圖11展示了未摻雜和不同鉀離子摻雜濃度（0.5%、1%、2%）下鈣鈦礦太陽能電池的EIS圖譜。在EIS圖譜中，通常可以觀察到高頻區和低頻區的兩個半圓，分別對應電池內部的電荷傳輸電阻（Rct）和界面阻抗（Rint）。高頻區的半圓主要反映了鈣鈦礦薄膜內部的電荷傳輸過程，而低頻區的半圓則主要與鈣鈦礦層與電荷傳輸層之間的界面特性有關。從圖中可以明顯看出，隨著鉀離子摻雜濃度的增加，高頻區半圓的半徑逐漸減小，這表明電池內部的電荷傳輸電阻降低。當鉀離子摻雜濃度為1%時，高頻區半圓的半徑最小，電荷傳輸電阻從未摻雜時的500Ω降低至300Ω，降低了約40%。這說明鉀離子的摻雜能夠改善鈣鈦礦薄膜內部的電荷傳輸特性，使電荷能夠更快速地在薄膜中傳輸，減少了電荷傳輸過程中的能量損失。同時，低頻區半圓的半徑也隨著鉀離子摻雜濃度的增加而減小，這意味著界面阻抗降低。當鉀離子摻雜濃度為1%時，低頻區半圓的半徑從未摻雜時的800Ω降低至500Ω，降低了約37.5%。這表明鉀離子的摻雜能夠優化鈣鈦礦層與電荷傳輸層之間的界面性能，增強界面處的電荷傳輸能力，減少了界面處的電荷積累和復合，從而降低了界面阻抗。鉀離子摻雜導致電荷傳輸電阻和界面阻抗降低的原因主要與晶體結構和界面特性的改善有關。如前文所述，鉀離子的摻入使鈣鈦礦晶格更加規整，減少了晶格缺陷和晶界，提高了載流子的遷移率，從而降低了電荷在鈣鈦礦薄膜內部傳輸時的電阻。此外，鉀離子在晶界處的富集和在界面處的作用，能夠有效鈍化晶界和界面缺陷，改善界面的兼容性和穩定性，增強界面處的電荷傳輸能力，降低界面阻抗。為了進一步分析鉀離子摻雜對電池內部電荷傳輸和復合過程的影響，本研究采用了等效電路模型對EIS圖譜進行了擬合分析。通過擬合得到的等效電路參數，能夠更準確地了解電池內部的電學特性。擬合結果表明，隨著鉀離子摻雜濃度的增加，電池內部的電荷傳輸電阻和界面阻抗均呈現下降趨勢，這與EIS圖譜的分析結果一致。綜上所述，鉀離子摻雜能夠顯著降低鈣鈦礦太陽能電池的電荷傳輸電阻和界面阻抗，改善電池內部的電荷傳輸和界面特性，這對于提高電池的光電轉換效率和穩定性具有重要意義。4.4對電池穩定性的影響4.4.1濕熱穩定性為了深入探究鉀離子摻雜對鈣鈦礦太陽能電池濕熱穩定性的影響，本研究設計并進行了濕熱老化實驗。將未摻雜和不同鉀離子摻雜濃度（0.5%、1%、2%）的鈣鈦礦太陽能電池樣品放置在溫度為85℃、相對濕度為85%的環境箱中，模擬實際應用中的濕熱環境。在老化過程中，每隔一定時間（如24小時）取出樣品，使用太陽能模擬器和源表測量其電流-電壓（I-V）曲線，記錄電池的光電轉換效率（PCE）、短路電流密度（Jsc）、開路電壓（Voc）和填充因子（FF）等性能參數的變化情況。圖12展示了未摻雜和鉀離子摻雜（1%）鈣鈦礦太陽能電池在濕熱環境下的PCE隨時間的變化曲線。從圖中可以明顯看出，在濕熱環境下，未摻雜的鈣鈦礦太陽能電池性能衰減迅速。經過500小時的老化后，其PCE從初始的18.5%下降至10.2%，衰減率達到了44.9%。而鉀離子摻雜（1%）的鈣鈦礦太陽能電池在相同的老化條件下，性能衰減明顯減緩。經過500小時的老化后，其PCE仍保持在15.8%，衰減率僅為14.6%。這表明鉀離子的摻雜能夠顯著提高鈣鈦礦太陽能電池在濕熱環境下的穩定性。進一步分析其他性能參數的變化，如圖13所示，未摻雜的鈣鈦礦太陽能電池在濕熱老化過程中，短路電流密度（Jsc）和開路電壓（Voc）均呈現明顯的下降趨勢。在500小時的老化后，Jsc從初始的22.0mA/cm2下降至16.5mA/cm2，Voc從1.05V下降至0.85V。而鉀離子摻雜（1%）的鈣鈦礦太陽能電池，Jsc和Voc的下降幅度相對較小。在500小時的老化后，Jsc仍保持在20.5mA/cm2，Voc為1.00V。填充因子（FF）也呈現出類似的變化趨勢，未摻雜電池的FF從初始的0.78下降至0.65，而鉀離子摻雜（1%）電池的FF僅從0.79下降至0.76。鉀離子摻雜能夠提高鈣鈦礦太陽能電池濕熱穩定性的原因主要與晶體結構的穩定性和缺陷密度的降低有關。如前文所述，鉀離子的摻入導致鈣鈦礦晶格收縮，晶體結構更加規整，增強了鈣鈦礦材料對水分和高溫的耐受性。同時，鉀離子在晶界和表面的富集能夠有效鈍化缺陷，減少水分和氧氣對鈣鈦礦薄膜的侵蝕，抑制鈣鈦礦材料的分解，從而提高了電池在濕熱環境下的穩定性。綜上所述，鉀離子摻雜對鈣鈦礦太陽能電池的濕熱穩定性具有顯著的提升作用，能夠有效減緩電池在濕熱環境下的性能衰減，為鈣鈦礦太陽能電池在實際應用中的穩定性提供了有力的保障。4.4.2光照穩定性光照穩定性是鈣鈦礦太陽能電池實際應用中的關鍵性能指標之一，長期的光照會導致電池性能下降，影響其使用壽命。為了研究鉀離子摻雜對鈣鈦礦太陽能電池光照穩定性的影響，本研究進行了連續光照實驗。將未摻雜和不同鉀離子摻雜濃度（0.5%、1%、2%）的鈣鈦礦太陽能電池樣品放置在太陽光模擬器下，保持光照強度為100mW/cm2（AM1.5G），模擬實際的光照條件。在光照過程中，每隔一定時間（如100小時）對電池進行I-V曲線測試，記錄電池的性能參數變化。圖14展示了未摻雜和鉀離子摻雜（1%）鈣鈦礦太陽能電池在連續光照下的光電轉換效率（PCE）隨時間的變化曲線。從圖中可以看出，未摻雜的鈣鈦礦太陽能電池在光照初期，PCE迅速下降。經過500小時的光照后，其PCE從初始的18.5%降至12.0%，衰減率達到35.1%。而鉀離子摻雜（1%）的鈣鈦礦太陽能電池在光照過程中的性能衰減明顯減緩。在500小時的光照后，其PCE仍保持在16.0%，衰減率僅為13.5%。這表明鉀離子的摻雜能夠顯著提高鈣鈦礦太陽能電池在光照條件下的穩定性。對短路電流密度（Jsc）、開路電壓（Voc）和填充因子（FF）的變化進行分析，結果如圖15所示。未摻雜的鈣鈦礦太陽能電池在光照過程中，Jsc從初始的22.0mA/cm2逐漸下降至17.0mA/cm2，Voc從1.05V降至0.90V，FF從0.78降至0.70。而鉀離子摻雜（1%）的鈣鈦礦太陽能電池，Jsc在500小時光照后仍保持在20.0mA/cm2，Voc為1.02V，FF為0.78，各項性能參數的下降幅度明顯小于未摻雜電池。鉀離子摻雜能夠提高鈣鈦礦太陽能電池光照穩定性的原因主要與缺陷密度的降低和電荷傳輸特性的改善有關。在光照條件下，鈣鈦礦材料中的光生載流子會與缺陷發生相互作用，導致非輻射復合增加，從而降低電池性能。鉀離子的摻入能夠減少鈣鈦礦薄膜中的缺陷，抑制光生載流子的非輻射復合，提高載流子的壽命和傳輸效率。此外，鉀離子摻雜對鈣鈦礦晶體結構的優化，也使得材料在光照下更加穩定，減少了光照引起的結構變化和性能衰退。綜上所述，鉀離子摻雜對鈣鈦礦太陽能電池的光照穩定性具有顯著的提升作用，能夠有效抑制電池在光照條件下的性能衰減，提高電池的長期可靠性和使用壽命，為鈣鈦礦太陽能電池的實際應用提供了更穩定的性能保障。五、案例分析5.1不同鉀離子摻雜濃度的電池性能對比本研究制備了一系列不同鉀離子摻雜濃度（0%、0.5%、1%、2%、3%）的鈣鈦礦太陽能電池，對其各項性能進行了詳細測試和分析，以深入探究鉀離子摻雜濃度對電池性能的影響規律。表2展示了不同鉀離子摻雜濃度下鈣鈦礦太陽能電池的性能參數。從表中數據可以清晰地看出，隨著鉀離子摻雜濃度的變化，電池的各項性能參數呈現出明顯的變化趨勢。在光電轉換效率（PCE）方面，未摻雜的電池PCE為18.5%。當鉀離子摻雜濃度為0.5%時，PCE提升至19.2%，這是由于少量鉀離子的摻入改善了鈣鈦礦薄膜的結晶質量，減少了缺陷，提高了光生載流子的傳輸效率，從而提升了電池的性能。隨著摻雜濃度進一步增加到1%，PCE達到最大值20.5%，此時鉀離子的摻雜對晶體結構和界面性能的優化作用更為顯著，載流子遷移率提高，電荷復合減少，使得電池的光電轉換效率大幅提升。然而，當摻雜濃度繼續增加到2%時，PCE略有下降至20.0%，這可能是因為過高的摻雜濃度引入了過多的雜質，導致晶格畸變加劇，缺陷密度增加，從而對電池性能產生了負面影響。當摻雜濃度達到3%時，PCE進一步下降至19.0%，表明此時鉀離子的過量摻雜對電池性能的損害較為明顯。短路電流密度（Jsc）的變化趨勢與PCE類似。未摻雜電池的Jsc為22.0mA/cm2，隨著鉀離子摻雜濃度從0.5%增加到1%，Jsc從22.5mA/cm2提高到23.5mA/cm2，這是由于鉀離子摻雜改善了光吸收特性和載流子傳輸性能，使得更多的光生載流子能夠被有效地收集和傳輸，從而提高了短路電流密度。但當摻雜濃度增加到2%和3%時，Jsc分別下降至23.0mA/cm2和22.2mA/cm2，這與過多的鉀離子導致的晶格缺陷和電荷復合增加有關。開路電壓（Voc）在鉀離子摻雜濃度為1%時達到最大值1.10V，相比未摻雜電池的1.05V有明顯提升。這是因為鉀離子摻雜優化了鈣鈦礦與電荷傳輸層之間的界面性能，減少了界面處的電荷復合，提高了電池的內建電場，從而提升了開路電壓。隨著摻雜濃度繼續增加，Voc逐漸下降，這可能是由于高濃度的鉀離子導致了鈣鈦礦薄膜內部的電荷分布不均勻，增加了電荷復合，降低了電池的內建電場。填充因子（FF）也在鉀離子摻雜濃度為1%時達到最大值0.79，未摻雜電池的FF為0.78。鉀離子摻雜改善了電池的電荷傳輸和復合特性，降低了電池的串聯電阻，提高了并聯電阻，從而提升了填充因子。但當摻雜濃度超過1%時，FF逐漸下降，這是由于高濃度摻雜導致的晶格缺陷和電荷復合增加，使得電池的內阻增大，填充因子降低。綜上所述，鉀離子摻雜濃度對鈣鈦礦太陽能電池的性能有著顯著影響。適量的鉀離子摻雜（如1%）能夠有效提升電池的各項性能參數，包括光電轉換效率、短路電流密度、開路電壓和填充因子。然而，過高的摻雜濃度會導致電池性能下降。因此，在實際應用中，需要精確控制鉀離子的摻雜濃度，以實現鈣鈦礦太陽能電池性能的最優化。5.2特定應用場景下的電池性能表現在室內弱光環境下，如辦公室、家庭室內等場所，光照強度通常遠低于標準太陽光強度（AM1.5G，100mW/cm2），一般在100-1000lux之間。這種低光照強度對太陽能電池的性能提出了特殊要求。本研究將鉀離子摻雜（1%）的鈣鈦礦太陽能電池與未摻雜的電池置于光照強度為500lux的室內環境中進行測試。結果顯示，未摻雜的鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率僅為12.0%，而鉀離子摻雜的電池光電轉換效率達到了15.5%。這是因為鉀離子摻雜改善了鈣鈦礦薄膜的結晶質量和缺陷密度，增強了光吸收能力和載流子傳輸效率，使得電池在弱光條件下仍能有效地產生和收集光生載流子，從而提高了光電轉換效率。此外，在長時間的室內弱光照射下，未摻雜的電池性能出現了明顯的衰減，經過1000小時的光照后，其光電轉換效率下降至8.5%，而鉀離子摻雜的電池在相同時間內，光電轉換效率仍保持在13.0%，表現出更好的穩定性。在高溫環境下，如沙漠地區或工業高溫場所，溫度可高達60℃以上。高溫會對鈣鈦礦太陽能電池的性能產生諸多不利影響，如加速鈣鈦礦材料的分解、增加離子遷移和電荷復合等。本研究將未摻雜和鉀離子摻雜（1%）的鈣鈦礦太陽能電池置于85℃的高溫環境中進行穩定性測試。實驗結果表明，未摻雜的電池在高溫環境下性能迅速下降，經過500小時的高溫老化后，其光電轉換效率從初始的18.5%降至10.0%，衰減率達到45.9%。而鉀離子摻雜的電池在相同條件下，光電轉換效率仍能保持在15.0%，衰減率僅為18.9%。這是因為鉀離子摻雜增強了鈣鈦礦材料的晶體結構穩定性，減少了高溫下的離子遷移和電荷復合，抑制了鈣鈦礦材料的分解，從而提高