不同活性層鈣鈦礦太陽電池測試參數(shù)的差異與優(yōu)化策略研究一、引言1.1研究背景與意義隨著全球能源需求的不斷增長以及對環(huán)境保護的日益重視，可再生能源的開發(fā)與利用成為了當今世界的研究熱點。太陽能作為一種清潔、豐富且可持續(xù)的能源，其利用技術(shù)的發(fā)展對于緩解能源危機和減少環(huán)境污染具有重要意義。在眾多太陽能利用技術(shù)中，鈣鈦礦太陽電池（PerovskiteSolarCells，PSCs）以其獨特的優(yōu)勢，近年來在太陽能電池領(lǐng)域中異軍突起，成為了研究的焦點。鈣鈦礦太陽電池是利用鈣鈦礦型的有機金屬鹵化物半導(dǎo)體作為吸光材料的太陽能電池，屬于第三代太陽能電池。自2009年日本科學(xué)家Miyasaka率先將鈣鈦礦材料用于染料敏化太陽能電池作為吸光材料，并獲得了3.8%的光電轉(zhuǎn)化效率以來，鈣鈦礦太陽電池的研究取得了飛速的發(fā)展。短短十幾年間，其光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）實現(xiàn)了大幅提升，單結(jié)鈣鈦礦電池光電轉(zhuǎn)換效率從最初的3.8%提升到2024年10月北京大學(xué)團隊研制出的超過26.1%，疊層鈣鈦礦電池的效率更是不斷突破新的高度，如2023年11月隆基綠能自主研發(fā)的晶硅-鈣鈦礦疊層電池效率達到33.9%，創(chuàng)造了目前全球晶硅-鈣鈦礦疊層電池效率的最高紀錄。這些顯著的進展使得鈣鈦礦太陽電池在可再生能源領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。鈣鈦礦太陽電池具有諸多優(yōu)勢，這也是其備受關(guān)注的重要原因。在光電轉(zhuǎn)換效率方面，其理論極限效率較高，單結(jié)鈣鈦礦電池效率上限超30%，雙結(jié)疊層效率上限更有望接近45%，相較于傳統(tǒng)的晶硅電池，具有更大的提升空間，目前晶硅電池效率難以突破30%。在成本方面，鈣鈦礦電池的制備工藝相對簡單，可采用溶液法制備，無需復(fù)雜的高溫工藝和昂貴的設(shè)備，原材料成本也較低，這使得其具備低成本大規(guī)模生產(chǎn)的潛力，有望實現(xiàn)全口徑平價上網(wǎng)，而晶硅電池成本較高。此外，鈣鈦礦電池還具有高弱光效應(yīng)，其材料在陰雨天氣和日出日落等弱光環(huán)境均能工作，拓寬了其應(yīng)用場景。同時，鈣鈦礦材料的可溶液加工性使其易于制備成柔性器件，為其在可穿戴設(shè)備、光伏建筑一體化等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能。在鈣鈦礦太陽電池的結(jié)構(gòu)中，活性層是核心部分，它直接決定了電池對光的吸收和電荷的產(chǎn)生。不同的活性層材料和結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致電池在性能上存在顯著差異。目前常用的鈣鈦礦活性層材料主要包括有機-無機雜化型和全無機型兩種。有機-無機雜化型鈣鈦礦材料具有良好的光電性能和較易調(diào)節(jié)的能級結(jié)構(gòu)，能夠有效地吸收太陽光并產(chǎn)生電子-空穴對，但這類材料在穩(wěn)定性方面存在一定的問題，例如對濕度、溫度等環(huán)境因素較為敏感，容易導(dǎo)致電池性能的下降。全無機型鈣鈦礦材料則具有較高的穩(wěn)定性，能夠在較為惡劣的環(huán)境條件下保持較好的性能，但在光電性能方面可能相對有機-無機雜化型材料稍遜一籌。除了材料類型，活性層的厚度、晶體結(jié)構(gòu)、缺陷密度等因素也會對電池性能產(chǎn)生重要影響。合適的活性層厚度能夠在保證光吸收的同時，減少電荷傳輸?shù)膿p失；高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)可以提高電荷的傳輸效率；而降低缺陷密度則有助于減少電荷的復(fù)合，提高電池的開路電壓和填充因子。不同活性層的鈣鈦礦太陽電池在性能上的差異，使得對其測試參數(shù)的研究變得至關(guān)重要。測試參數(shù)能夠直觀地反映電池的性能優(yōu)劣，為電池的優(yōu)化和改進提供重要依據(jù)。通過對不同活性層鈣鈦礦太陽電池的測試參數(shù)進行深入研究，可以深入了解活性層與電池性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，揭示不同活性層材料和結(jié)構(gòu)對電池性能的影響機制。這有助于科研人員有針對性地選擇和設(shè)計活性層材料與結(jié)構(gòu)，優(yōu)化電池的制備工藝，從而提高電池的性能和穩(wěn)定性。例如，通過對光電轉(zhuǎn)換效率、開路電壓、短路電流密度、填充因子等測試參數(shù)的分析，可以判斷活性層材料的光吸收能力、電荷傳輸性能以及界面兼容性等方面的優(yōu)劣，進而采取相應(yīng)的改進措施，如調(diào)整材料的組成、優(yōu)化制備工藝條件、引入界面修飾層等，以提升電池的整體性能。對不同活性層鈣鈦礦太陽電池測試參數(shù)的研究，對于推動鈣鈦礦太陽電池的產(chǎn)業(yè)化進程也具有重要意義。在產(chǎn)業(yè)化過程中，需要確保電池的性能穩(wěn)定、可靠，并且能夠滿足大規(guī)模生產(chǎn)和實際應(yīng)用的需求。通過對測試參數(shù)的研究，可以建立起一套科學(xué)合理的性能評估標準和測試方法，為鈣鈦礦太陽電池的質(zhì)量控制和產(chǎn)品認證提供依據(jù)。這有助于規(guī)范市場，促進鈣鈦礦太陽電池產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，使其能夠更快地走向市場，為解決全球能源問題做出貢獻。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀鈣鈦礦太陽電池自問世以來，憑借其優(yōu)異的光電性能、低成本的制備工藝以及潛在的大規(guī)模應(yīng)用前景，在全球范圍內(nèi)引發(fā)了廣泛的研究熱潮。國內(nèi)外眾多科研機構(gòu)和企業(yè)紛紛投入大量資源，對鈣鈦礦太陽電池的各個方面展開深入研究，其中不同活性層鈣鈦礦太陽電池測試參數(shù)的研究更是重中之重，這直接關(guān)系到電池性能的提升和產(chǎn)業(yè)化進程的推進。在國外，美國、日本、韓國、德國等國家的科研團隊在鈣鈦礦太陽電池領(lǐng)域取得了一系列具有開創(chuàng)性的研究成果。美國西北大學(xué)的研究人員在鈣鈦礦活性層材料的優(yōu)化方面成果顯著，通過采用雙分子解決方案，有效克服了陽光轉(zhuǎn)化為能量時的效率損失問題，成功將電池效率提升至25.1%，并得到美國國家可再生能源實驗室（NREL）的認證。他們的研究聚焦于解決表面重組和界面重組問題，通過結(jié)合特定分子修復(fù)表面缺陷，抑制電子與缺陷的重新結(jié)合，為活性層材料的改進提供了新的思路。日本的科研團隊則在鈣鈦礦太陽電池的穩(wěn)定性研究方面取得了重要進展，他們通過對活性層及界面的精細調(diào)控，有效提高了電池的抗?jié)瘛岱€(wěn)定性，為鈣鈦礦太陽電池在實際應(yīng)用中的長期穩(wěn)定性提供了保障。韓國蔚山國家科技研究所在單結(jié)鈣鈦礦電池光電轉(zhuǎn)換效率方面表現(xiàn)突出，其研發(fā)的單結(jié)鈣鈦礦電池光電轉(zhuǎn)換效率達到25.8%，在材料的能級結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電荷傳輸性能提升方面進行了深入研究，為提高電池效率提供了技術(shù)支撐。德國的研究團隊則側(cè)重于鈣鈦礦太陽電池的制備工藝創(chuàng)新，通過開發(fā)新的制備技術(shù)，實現(xiàn)了高質(zhì)量鈣鈦礦活性層的可控制備，提高了電池的性能一致性和穩(wěn)定性。在國內(nèi)，隨著國家對新能源產(chǎn)業(yè)的大力支持，鈣鈦礦太陽電池的研究也取得了長足的進步。眾多高校和科研機構(gòu)，如北京大學(xué)、南京大學(xué)、中科院半導(dǎo)體研究所等，在鈣鈦礦太陽電池領(lǐng)域開展了廣泛而深入的研究，并取得了一系列具有國際影響力的成果。北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團隊”朱瑞教授和龔旗煌院士團隊，通過發(fā)現(xiàn)高密勒指數(shù)晶面在調(diào)控微米級鈣鈦礦厚膜晶粒質(zhì)量方面的重要指導(dǎo)作用，發(fā)展精細溫度調(diào)控方法，成功制備出高質(zhì)量微米級鈣鈦礦厚膜，將反式鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高至26.1%，并提升了電池在光、熱等外界條件下的工作穩(wěn)定性。南京大學(xué)譚海仁課題組在全鈣鈦礦疊層電池研究方面成果斐然，其研發(fā)的全鈣鈦礦疊層電池光電轉(zhuǎn)換效率突破28.0%，在材料的選擇和界面工程方面進行了創(chuàng)新，有效提高了電池對太陽光的吸收和利用效率。中科院半導(dǎo)體研究所在鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性和效率提升方面也做出了重要貢獻，通過對活性層材料的優(yōu)化和界面調(diào)控策略的研究，提高了電池的綜合性能。盡管國內(nèi)外在不同活性層鈣鈦礦太陽電池測試參數(shù)的研究方面取得了豐碩的成果，但目前仍存在一些不足之處。在材料穩(wěn)定性方面，雖然已經(jīng)采取了多種措施來提高鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性，如開發(fā)全無機鈣鈦礦材料、進行界面修飾等，但鈣鈦礦材料在長期光照、高溫、高濕度等實際應(yīng)用環(huán)境下的穩(wěn)定性仍然是一個亟待解決的問題。部分改進措施可能會在一定程度上犧牲電池的光電轉(zhuǎn)換效率，如何在保證穩(wěn)定性的同時，維持或提高電池的光電性能，是需要進一步研究的方向。在測試標準方面，目前鈣鈦礦太陽電池的測試標準尚不完善，不同實驗室之間的測試方法和參數(shù)設(shè)置存在差異，導(dǎo)致測試結(jié)果的可比性較差。這不僅影響了對電池性能的準確評估，也阻礙了鈣鈦礦太陽電池技術(shù)的推廣和應(yīng)用。隨著鈣鈦礦太陽電池技術(shù)的不斷發(fā)展，新的材料體系和器件結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)有的測試標準可能無法全面覆蓋這些新技術(shù)和新材料的性能評估，需要進一步完善和更新測試標準。在大規(guī)模制備工藝方面，雖然實驗室中已經(jīng)能夠制備出高效率的鈣鈦礦太陽電池，但將這些技術(shù)轉(zhuǎn)化為大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，如何在大規(guī)模制備過程中保證活性層的質(zhì)量一致性、如何提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本等問題，都需要進一步的研究和探索。1.3研究內(nèi)容與方法本研究聚焦于不同活性層鈣鈦礦太陽電池的測試參數(shù)，旨在深入探究活性層與電池性能之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，為鈣鈦礦太陽電池的性能優(yōu)化提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。具體研究內(nèi)容涵蓋以下幾個關(guān)鍵方面：不同活性層材料的制備與表征：本研究將制備多種不同類型的鈣鈦礦活性層材料，包括有機-無機雜化型和全無機型鈣鈦礦材料。在制備過程中，通過精確控制材料的化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)以及制備工藝條件，實現(xiàn)對活性層材料性能的精準調(diào)控。利用X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、光致發(fā)光光譜（PL）等先進表征技術(shù)，對制備的活性層材料進行全面的結(jié)構(gòu)和性能表征。XRD技術(shù)可用于分析材料的晶體結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)，從而深入了解材料的結(jié)晶情況；SEM技術(shù)能夠直觀地觀察材料的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)，為研究材料的生長特性提供依據(jù)；PL光譜則可用于研究材料的光學(xué)性質(zhì)，如發(fā)光效率、發(fā)光峰位等，進而評估材料的光吸收和電荷產(chǎn)生能力。通過這些表征手段，深入研究不同活性層材料的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，為后續(xù)的電池性能研究奠定堅實基礎(chǔ)。不同活性層鈣鈦礦太陽電池的制備：基于制備的不同活性層材料，采用溶液旋涂法、熱蒸發(fā)法等成熟的制備工藝，制備出一系列具有不同活性層的鈣鈦礦太陽電池。在制備過程中，嚴格控制各功能層的厚度、質(zhì)量以及界面質(zhì)量，確保電池制備的一致性和穩(wěn)定性。同時，對電池的制備工藝進行優(yōu)化，探索最佳的制備條件，以提高電池的性能和穩(wěn)定性。例如，通過調(diào)整旋涂速度、退火溫度和時間等參數(shù)，優(yōu)化活性層的成膜質(zhì)量；通過選擇合適的電子傳輸層和空穴傳輸層材料，改善電荷的傳輸和收集效率。電池性能測試與參數(shù)分析：對制備的鈣鈦礦太陽電池進行全面的性能測試，重點測量其光電轉(zhuǎn)換效率、開路電壓、短路電流密度、填充因子等關(guān)鍵參數(shù)。在測試過程中，嚴格遵循相關(guān)的測試標準和規(guī)范，確保測試結(jié)果的準確性和可靠性。采用標準太陽光模擬器提供穩(wěn)定的光照條件，模擬實際太陽光照環(huán)境；使用源表等精密測試儀器，精確測量電池的電流-電壓特性曲線，從而獲取各項性能參數(shù)。深入分析不同活性層對這些測試參數(shù)的影響機制，通過對比不同活性層電池的性能差異，揭示活性層材料和結(jié)構(gòu)與電池性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。例如，研究活性層材料的光吸收能力對短路電流密度的影響，分析活性層的晶體結(jié)構(gòu)和缺陷密度對開路電壓和填充因子的作用機制。穩(wěn)定性測試與分析：穩(wěn)定性是鈣鈦礦太陽電池實際應(yīng)用中面臨的關(guān)鍵問題之一，因此本研究將對不同活性層的鈣鈦礦太陽電池進行穩(wěn)定性測試。采用加速老化測試方法，如熱穩(wěn)定性測試、濕度穩(wěn)定性測試、光照穩(wěn)定性測試等，模擬電池在實際應(yīng)用中可能遇到的各種惡劣環(huán)境條件，評估電池在這些條件下的性能衰減情況。通過對穩(wěn)定性測試結(jié)果的分析，深入研究不同活性層材料和結(jié)構(gòu)對電池穩(wěn)定性的影響，探索提高電池穩(wěn)定性的有效途徑。例如，研究有機-無機雜化型鈣鈦礦活性層在濕度環(huán)境下的降解機制，分析全無機型鈣鈦礦活性層在高溫條件下的穩(wěn)定性優(yōu)勢，為開發(fā)高穩(wěn)定性的鈣鈦礦太陽電池提供理論支持。為了實現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究將綜合運用實驗研究、理論模擬和數(shù)據(jù)分析等多種研究方法：實驗研究方法：在實驗方面，搭建完善的實驗平臺，配備先進的實驗設(shè)備，包括材料制備設(shè)備、表征分析儀器和電池性能測試系統(tǒng)等。嚴格控制實驗條件，確保實驗數(shù)據(jù)的準確性和可重復(fù)性。在材料制備過程中，精確控制原材料的純度、配比和反應(yīng)條件；在電池制備和測試過程中，嚴格控制環(huán)境溫度、濕度和光照條件等因素。通過設(shè)計科學(xué)合理的實驗方案，系統(tǒng)地研究不同活性層材料和結(jié)構(gòu)對鈣鈦礦太陽電池性能的影響。例如，采用單因素實驗法，逐一改變活性層材料的組成、厚度或制備工藝參數(shù)，觀察電池性能的變化規(guī)律，從而確定各因素對電池性能的影響程度。理論模擬方法：運用密度泛函理論（DFT）、有限元分析等理論模擬方法，對鈣鈦礦活性層材料的電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)以及電池內(nèi)部的電荷傳輸和復(fù)合過程進行深入研究。通過理論模擬，可以從微觀層面揭示活性層材料的性能機制，預(yù)測不同結(jié)構(gòu)和組成的活性層對電池性能的影響，為實驗研究提供理論指導(dǎo)和優(yōu)化方向。例如，利用DFT計算活性層材料的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度等電子結(jié)構(gòu)信息，分析材料的光吸收和電荷產(chǎn)生能力；采用有限元分析方法模擬電池內(nèi)部的電場分布和電荷傳輸路徑，優(yōu)化電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高電荷的傳輸效率。數(shù)據(jù)分析方法：對實驗和模擬得到的數(shù)據(jù)進行深入分析，運用統(tǒng)計學(xué)方法、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等手段，揭示數(shù)據(jù)背后的規(guī)律和趨勢。通過建立數(shù)學(xué)模型，對不同活性層鈣鈦礦太陽電池的性能進行預(yù)測和優(yōu)化。例如，采用多元線性回歸分析方法，建立活性層材料參數(shù)與電池性能參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測不同組成和結(jié)構(gòu)的活性層對電池性能的影響；運用主成分分析（PCA）等數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對大量的實驗數(shù)據(jù)進行降維處理和特征提取，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的潛在關(guān)系，為電池性能的優(yōu)化提供決策依據(jù)。二、鈣鈦礦太陽電池基礎(chǔ)2.1鈣鈦礦材料特性鈣鈦礦材料是一類具有獨特晶體結(jié)構(gòu)和優(yōu)異光電性能的化合物，其晶體結(jié)構(gòu)通式為ABX3。在這種結(jié)構(gòu)中，A位通常是半徑較大的陽離子，如有機陽離子甲基銨（MA+，CH3NH3+）、甲脒（FA+，NH2CH=NH2+）或無機陽離子銫（Cs+）等；B位是半徑較小的金屬陽離子，常見的有鉛（Pb2+）、錫（Sn2+）等；X位則是鹵素陰離子，如碘（I-）、溴（Br-）、氯（Cl-）。在鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)中，B離子位于立方晶胞的中心，被6個X離子包圍形成配位立方八面體，配位數(shù)為6；A離子位于立方晶胞的角頂，被12個X離子包圍形成配位八面體，配位數(shù)為12，其中，A離子和X離子半徑相近，共同構(gòu)成立方密堆積。這種獨特的晶體結(jié)構(gòu)賦予了鈣鈦礦材料諸多優(yōu)異的性能。從晶體結(jié)構(gòu)的角度來看，鈣鈦礦材料的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為光生載流子的傳輸提供了良好的通道。相比于低維晶體結(jié)構(gòu)的材料，對稱性較高的三維晶體結(jié)構(gòu)材料更有利于光生載流子的長程擴散，載流子在傳輸過程中不容易“碰壁”，從而降低了載流子的復(fù)合幾率，提高了電荷傳輸效率。以鉛碘鈣鈦礦為例，其可以看做是鉛碘配位八面體以共點的方式連接形成骨架，并由一個額外的陽離子填充骨架中較大的空隙形成的。這種結(jié)構(gòu)使得鈣鈦礦材料在光吸收和電荷傳輸方面表現(xiàn)出色。在光電性能方面，鈣鈦礦材料具有高吸光系數(shù)的特點。以常見的甲胺碘化鉛（MAPbI3）為例，其在可見光范圍內(nèi)的吸光系數(shù)高達105cm-1以上，這意味著極薄的鈣鈦礦層就能充分吸收太陽光，為高效的光電轉(zhuǎn)換奠定了基礎(chǔ)。鈣鈦礦材料的光吸收范圍可通過調(diào)整A、B、X位的離子種類進行調(diào)節(jié)。當B位離子為Pb2+，X位離子由I-逐漸被Br-取代時，材料的吸收邊會逐漸藍移，從而實現(xiàn)對不同波長太陽光的有效吸收。鈣鈦礦材料還具有較高的載流子遷移率和較長的載流子擴散長度。在MAPbI3中，電子和空穴的遷移率可達10-100cm2V-1s-1，擴散長度可達100-1000nm。這使得光生載流子能夠在材料中快速傳輸，減少了電荷復(fù)合的機會，有利于提高電池的短路電流密度和填充因子。而且，鈣鈦礦材料的激子結(jié)合能較低，通常在10-50meV之間，遠低于傳統(tǒng)有機半導(dǎo)體材料。這意味著在室溫下，激子很容易解離成自由的電子和空穴，從而提高了電荷的產(chǎn)生效率。除了上述性能，鈣鈦礦材料還具有可溶液加工性，這使得其制備工藝相對簡單且成本較低。通過溶液旋涂、刮涂、噴墨打印等溶液法，可在低溫下制備高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜，避免了高溫工藝對設(shè)備的高要求和高能耗，有利于大規(guī)模生產(chǎn)。然而，鈣鈦礦材料也存在一些不足之處，其中穩(wěn)定性問題尤為突出。有機-無機雜化鈣鈦礦材料對濕度、溫度和光照等環(huán)境因素較為敏感。在高濕度環(huán)境下，有機陽離子容易與水分子發(fā)生相互作用，導(dǎo)致材料分解；高溫會加速材料的熱分解，降低電池的性能；長時間光照則可能引發(fā)材料的光降解，影響電池的使用壽命。以MAPbI3為例，在濕度較高的環(huán)境中，其會逐漸分解為PbI2和有機胺，導(dǎo)致電池性能急劇下降。這些穩(wěn)定性問題在一定程度上限制了鈣鈦礦太陽電池的商業(yè)化應(yīng)用，也是當前研究需要重點解決的問題之一。2.2電池結(jié)構(gòu)與工作原理鈣鈦礦太陽電池的結(jié)構(gòu)主要由五個關(guān)鍵部分組成，這些部分共同協(xié)作，實現(xiàn)了將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的過程。其基本結(jié)構(gòu)為典型的三明治疊層結(jié)構(gòu)，從下往上依次為透明導(dǎo)電氧化物（TCO）基底、電子傳輸層（ETL）、鈣鈦礦光吸收層、空穴傳輸層（HTL）以及金屬或碳基背電極。透明導(dǎo)電氧化物（TCO）基底是起始層，也是重要組成部分，通常由具有高透光率、良好導(dǎo)電性能和霧度控制的透明導(dǎo)電氧化物鍍膜玻璃制成，如氟摻雜氧化錫（FTO）玻璃或氧化銦錫（ITO）玻璃。其作用是確保太陽光能夠順利透過，同時有效收集由鈣鈦礦層產(chǎn)生的電流。在實際應(yīng)用中，F(xiàn)TO玻璃由于其成本較低、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于鈣鈦礦太陽電池的制備中。電子傳輸層（ETL）位于TCO基底之上，主要功能是收集和傳輸由鈣鈦礦層產(chǎn)生的電子。該層通常采用具有優(yōu)異電子傳輸性能的半導(dǎo)體材料，如二氧化鈦（TiO?）。在介孔結(jié)構(gòu)中，二氧化鈦通常以分散的納米顆粒形式存在，而在平面結(jié)構(gòu)中則直接作為一層薄膜。TiO?具有較高的電子遷移率和合適的能級結(jié)構(gòu)，能夠有效地傳輸電子，并阻擋空穴向陰極方向移動，避免空穴-電子對分離不徹底從而造成載流子在電池內(nèi)部積累。鈣鈦礦光吸收層是電池的核心部分，也是實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。它由有機金屬鹵化物半導(dǎo)體構(gòu)成，其晶體結(jié)構(gòu)為ABX?，其中A為有機陽離子（如CH?NH??、NH?CH=NH??等），B為金屬陽離子（如Pb2?、Sn2?等），X為鹵素陰離子（如I?、Br?、Cl?等）。鈣鈦礦材料具有優(yōu)異的光吸收性能和電荷分離能力，能夠吸收太陽光并產(chǎn)生激子（電子-空穴對）。以甲胺碘化鉛（MAPbI?）為例，其在可見光范圍內(nèi)具有較高的吸光系數(shù)，能夠充分吸收太陽光，為電池的光電轉(zhuǎn)換提供充足的載流子。空穴傳輸層（HTL）位于鈣鈦礦光吸收層之上，主要功能是收集和傳輸由鈣鈦礦層產(chǎn)生的空穴。空穴傳輸層材料的選擇對于提高太陽能電池的性能至關(guān)重要。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(wěn)定性，能夠有效地傳輸空穴，并阻擋電子在該層的遷移，同時還起到了防止鈣鈦礦層與電極直接接觸引起電池內(nèi)部電路短路的作用。金屬或碳基背電極是電池的最后一層，主要作用是收集由空穴傳輸層傳輸來的空穴，并與透明導(dǎo)電氧化物基底形成完整的電流回路。金屬電極通常選用穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性強的金屬材料，如金（Au）和銀（Ag）等。碳基電極則因其成本低、制備工藝簡單等優(yōu)勢而受到關(guān)注。在一些研究中，采用碳基電極制備的鈣鈦礦太陽電池在保持一定光電轉(zhuǎn)換效率的同時，降低了電池的制備成本，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。鈣鈦礦太陽電池的工作原理基于光生伏特效應(yīng)，在光照條件下，電池內(nèi)部會發(fā)生一系列復(fù)雜的物理過程，從而實現(xiàn)將光能轉(zhuǎn)化為電能。具體過程如下：光子吸收過程：當電池受到太陽光輻射時，鈣鈦礦光吸收層材料吸收光子，光子的能量被鈣鈦礦材料中的電子吸收，電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，形成受庫侖力作用束縛的電子-空穴對，即激子。由于鈣鈦礦材料具有較高的吸光系數(shù)，能夠有效地吸收太陽光中的光子，從而產(chǎn)生大量的激子。激子擴散過程：激子產(chǎn)生后不會停留在原處，會在整個晶體內(nèi)運動。鈣鈦礦材料具有較長的激子擴散長度，這使得激子在運動過程中發(fā)生復(fù)合的幾率較小，大概率可以擴散到界面處。以MAPbI?為例，其激子擴散長度可達100-1000nm，這為激子的有效解離和電荷傳輸提供了保障。激子解離過程：鈣鈦礦材料的激子結(jié)合能小，在鈣鈦礦光吸收層與傳輸層的界面處，激子在內(nèi)建電場的作用下容易發(fā)生解離，進而成為自由載流子。內(nèi)建電場的存在促使電子和空穴分別向相反的方向移動，實現(xiàn)了電荷的分離。載流子傳輸過程：激子解離后形成的自由載流子，其中自由電子通過電子傳輸層向陰極傳輸，自由空穴通過空穴傳輸層向陽極傳輸。電子傳輸層和空穴傳輸層分別具有良好的電子和空穴傳輸性能，能夠快速地將載流子傳輸?shù)诫姌O。電荷收集過程：自由電子通過電子傳輸層后被陰極層收集，自由空穴通過空穴傳輸層后被陽極層收集，兩極形成電勢差。當電池與外加負載構(gòu)成閉合回路時，回路中形成電流，從而實現(xiàn)了將光能轉(zhuǎn)化為電能并對外做功。2.3活性層種類及特點鈣鈦礦太陽電池的活性層材料種類多樣，不同種類的活性層材料具有各自獨特的特點，這些特點對電池的性能有著至關(guān)重要的影響。目前，常見的鈣鈦礦活性層材料主要分為有機-無機雜化鈣鈦礦和全無機鈣鈦礦兩大類，每一類中又包含多種具體的材料體系，它們在結(jié)構(gòu)、光電性能、穩(wěn)定性等方面存在差異。有機-無機雜化鈣鈦礦是最早被應(yīng)用于鈣鈦礦太陽電池的活性層材料，也是目前研究最為廣泛的一類。這類材料的典型代表是甲胺碘化鉛（MAPbI?）和甲脒碘化鉛（FAPbI?）。在結(jié)構(gòu)方面，以MAPbI?為例，其晶體結(jié)構(gòu)中，有機陽離子甲基銨（MA?）填充在由PbI?八面體連接形成的三維骨架空隙中，這種有機-無機雜化結(jié)構(gòu)賦予了材料一些獨特的性能。在光電性能上，MAPbI?具有出色的光吸收能力，其在可見光范圍內(nèi)的吸光系數(shù)高達10?cm?1以上，能夠充分吸收太陽光中的光子，產(chǎn)生大量的電子-空穴對。它還具有較高的載流子遷移率和較長的擴散長度，電子和空穴的遷移率可達10-100cm2V?1s?1，擴散長度可達100-1000nm，這使得光生載流子能夠在材料中快速傳輸，減少了電荷復(fù)合的機會，有利于提高電池的短路電流密度和填充因子。但有機-無機雜化鈣鈦礦的穩(wěn)定性較差，對濕度、溫度和光照等環(huán)境因素較為敏感。在高濕度環(huán)境下，MA?容易與水分子發(fā)生相互作用，導(dǎo)致材料分解，生成PbI?和有機胺，從而降低電池的性能；高溫會加速材料的熱分解，長時間光照則可能引發(fā)材料的光降解，這些因素嚴重限制了電池的使用壽命。為了改善有機-無機雜化鈣鈦礦的穩(wěn)定性，研究人員對其進行了多種改性研究，其中陽離子混合是一種常用的方法。通過將不同的陽離子混合引入鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中，可以優(yōu)化材料的性能。例如，將甲脒（FA?）和銫（Cs?）與MA?混合，形成(FA,MA,Cs)PbI?鈣鈦礦。FA?的引入可以拓寬材料的光吸收范圍，提高對太陽光的利用效率，因為FA?的尺寸比MA?大，能夠調(diào)整鈣鈦礦的晶格結(jié)構(gòu)，從而改變材料的光學(xué)性質(zhì)；Cs?的加入則可以增強材料的穩(wěn)定性，Cs?具有較小的離子半徑和較高的離子電負性，能夠填充在鈣鈦礦晶格的空隙中，減少晶格缺陷，提高材料的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。通過這種陽離子混合的方式，在一定程度上改善了有機-無機雜化鈣鈦礦的性能，使其在保持較好光電性能的同時，穩(wěn)定性得到了提升。全無機鈣鈦礦材料以其較高的穩(wěn)定性而受到關(guān)注，其中銫鉛鹵化物（CsPbX?，X=Cl,Br,I）是典型的代表。在結(jié)構(gòu)上，CsPbX?中，Cs?填充在由PbX?八面體連接形成的三維骨架空隙中。與有機-無機雜化鈣鈦礦相比，全無機鈣鈦礦由于不存在有機陽離子，避免了有機成分在環(huán)境因素影響下的分解問題，因此具有更好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。在光電性能方面，CsPbI?的帶隙約為1.73eV，對可見光有較好的吸收能力，但其載流子遷移率和擴散長度相對有機-無機雜化鈣鈦礦可能稍低，這在一定程度上影響了電池的短路電流密度和填充因子。不過，通過優(yōu)化制備工藝和材料結(jié)構(gòu)，可以提高其載流子傳輸性能。例如，采用量子點制備技術(shù)，制備出的CsPbX?量子點具有尺寸量子效應(yīng)，能夠有效地調(diào)節(jié)材料的光電性能，提高載流子的傳輸效率。除了上述兩類常見的鈣鈦礦活性層材料，還有一些其他類型的鈣鈦礦材料也在研究中展現(xiàn)出獨特的性能。例如，錫基鈣鈦礦（如MASnI?）由于鉛元素的毒性問題，錫基鈣鈦礦作為無鉛鈣鈦礦材料的研究受到關(guān)注。MASnI?的帶隙約為1.3-1.4eV，對可見光和近紅外光都有較好的吸收能力，理論上具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率潛力。然而，錫基鈣鈦礦存在一些問題，如Sn2?容易被氧化為Sn??，導(dǎo)致材料的性能不穩(wěn)定，并且在制備過程中，錫基鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量較難控制，這些問題限制了其實際應(yīng)用，目前相關(guān)研究主要集中在解決其穩(wěn)定性和制備工藝問題上。不同活性層材料的特點對鈣鈦礦太陽電池的性能有著顯著的影響。在選擇活性層材料時，需要綜合考慮材料的光電性能、穩(wěn)定性以及制備工藝等因素，通過不斷的研究和改進，開發(fā)出性能更優(yōu)的活性層材料，以推動鈣鈦礦太陽電池的發(fā)展和應(yīng)用。三、測試參數(shù)及影響因素3.1關(guān)鍵測試參數(shù)解析3.1.1光電轉(zhuǎn)換效率光電轉(zhuǎn)換效率（PowerConversionEfficiency，PCE）是衡量鈣鈦礦太陽電池性能的核心指標，它直觀地反映了電池將入射太陽光能量轉(zhuǎn)化為電能的能力。在實際應(yīng)用中，高光電轉(zhuǎn)換效率意味著電池能夠更有效地利用太陽能，從而為用戶提供更多的電能輸出。其定義為電池輸出的最大功率（P_{max}）與入射光功率密度（P_{in}）的比值，通常用百分數(shù)表示，計算公式為：PCE=\frac{P_{max}}{P_{in}}\times100\%。在該公式中，P_{max}是通過測量電池的電流-電壓（J-V）曲線得到的。在J-V曲線中，存在一個點對應(yīng)著電池輸出功率的最大值，即P_{max}=V_{mpp}\timesJ_{mpp}，其中V_{mpp}是最大功率點電壓，J_{mpp}是最大功率點電流密度。P_{in}則是在標準測試條件下，如AM1.5G（空氣質(zhì)量1.5，模擬太陽光譜輻照度分布）、1000W/m^2的光照強度下，單位面積上入射光的功率。以某實驗室制備的有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池為例，在標準測試條件下，測得其J-V曲線，通過計算得出最大功率點電壓V_{mpp}為1.1V，最大功率點電流密度J_{mpp}為24mA/cm^2，則該電池的輸出最大功率P_{max}=V_{mpp}\timesJ_{mpp}=1.1V\times24mA/cm^2=26.4mW/cm^2。已知入射光功率密度P_{in}=100mW/cm^2，根據(jù)光電轉(zhuǎn)換效率公式可得：PCE=\frac{P_{max}}{P_{in}}\times100\%=\frac{26.4mW/cm^2}{100mW/cm^2}\times100\%=26.4\%。光電轉(zhuǎn)換效率在評估鈣鈦礦太陽電池性能時占據(jù)著核心地位。它是衡量電池性能優(yōu)劣的關(guān)鍵指標，直接影響著電池在實際應(yīng)用中的價值。在太陽能發(fā)電領(lǐng)域，高光電轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦太陽電池能夠在相同的光照條件下產(chǎn)生更多的電能，從而降低發(fā)電成本，提高能源利用效率。對于大規(guī)模的太陽能發(fā)電站而言，采用高光電轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦太陽電池可以減少電池的使用數(shù)量和占地面積，降低建設(shè)成本和運營成本。在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，高光電轉(zhuǎn)換效率的電池可以提高發(fā)電效率，滿足用戶更多的用電需求。3.1.2短路電流密度短路電流密度（Short-CircuitCurrentDensity，J_{sc}）是指在太陽能電池短路狀態(tài)下，即電池兩端電壓為零時，通過電池單位面積的電流大小，單位通常為mA/cm^2。短路電流密度反映了鈣鈦礦太陽能電池在光照條件下產(chǎn)生光生載流子并將其有效收集的能力。從物理過程來看，短路電流密度與光吸收和載流子傳輸密切相關(guān)。當太陽光照射到鈣鈦礦太陽電池的活性層時，光子被吸收，產(chǎn)生電子-空穴對。這些光生載流子需要在材料內(nèi)部傳輸并到達電極才能形成電流。如果活性層材料對光的吸收能力強，能夠吸收更多的光子，就會產(chǎn)生更多的光生載流子，從而為短路電流的產(chǎn)生提供更多的電荷來源。以甲胺碘化鉛（MAPbI?）活性層材料為例，其在可見光范圍內(nèi)具有較高的吸光系數(shù)，能夠有效地吸收太陽光，產(chǎn)生大量的電子-空穴對，為獲得較高的短路電流密度奠定了基礎(chǔ)。載流子在傳輸過程中的效率和復(fù)合情況也對短路電流密度有著重要影響。如果載流子在鈣鈦礦薄膜、界面以及電極等部位的傳輸受阻，或者發(fā)生嚴重的復(fù)合，那么能夠到達電極形成電流的載流子數(shù)量就會減少，短路電流密度也會隨之降低。高質(zhì)量的鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)有利于載流子的產(chǎn)生和傳輸。具有合適的晶粒尺寸、取向和結(jié)晶度的鈣鈦礦薄膜，能夠減少晶界缺陷和載流子復(fù)合中心，從而提高短路電流。良好的界面能級匹配和低的界面電阻可以促進載流子的提取和傳輸，減少界面處的載流子復(fù)合，提高短路電流。假設(shè)在一個鈣鈦礦太陽電池中，由于活性層材料的光吸收能力有限，只能吸收較少的光子，產(chǎn)生的光生載流子數(shù)量較少，那么即使載流子傳輸效率較高，最終能夠形成的短路電流密度也會受到限制。反之，如果活性層材料能夠吸收大量的光子，但載流子在傳輸過程中由于晶界缺陷過多或界面電阻過大而大量復(fù)合，無法有效地傳輸?shù)诫姌O，短路電流密度同樣會較低。3.1.3開路電壓開路電壓（Open-CircuitVoltage，V_{oc}）是指在沒有外接負載的情況下，鈣鈦礦太陽電池兩端的電壓。從物理本質(zhì)上講，開路電壓是由電池內(nèi)部的電荷分離和積累形成的。當電池受到光照時，活性層吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對，這些光生載流子在電池內(nèi)部的電場作用下發(fā)生分離，電子向陰極移動，空穴向陽極移動。隨著電荷的不斷積累，電池兩端逐漸形成電位差，當電荷積累達到動態(tài)平衡時，電池兩端的電位差不再增加，此時的電壓即為開路電壓。開路電壓的形成機制與電池內(nèi)部的多個因素密切相關(guān)。活性層材料的帶隙寬度對開路電壓有著重要影響。一般來說，帶隙越寬，理論上開路電壓越高。這是因為帶隙寬度決定了電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶所需的能量，帶隙越寬，電子躍遷后在導(dǎo)帶和價帶之間形成的電位差就越大，從而開路電壓越高。以不同帶隙的鈣鈦礦材料為例，甲脒碘化鉛（FAPbI?）的帶隙相對甲胺碘化鉛（MAPbI?）稍寬，在其他條件相同的情況下，基于FAPbI?的鈣鈦礦太陽電池的開路電壓往往會略高于基于MAPbI?的電池。活性層中的缺陷密度也會對開路電壓產(chǎn)生顯著影響。缺陷會成為載流子的復(fù)合中心，增加載流子的復(fù)合幾率。當缺陷密度較高時，光生載流子在傳輸過程中更容易發(fā)生復(fù)合，導(dǎo)致能夠到達電極并積累形成開路電壓的載流子數(shù)量減少，從而降低開路電壓。通過優(yōu)化制備工藝，減少活性層中的缺陷密度，可以有效提高開路電壓。例如，采用反溶劑法制備鈣鈦礦薄膜時，通過精確控制反溶劑的滴加時間和速度，可以改善薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，降低缺陷密度，進而提高開路電壓。界面特性也是影響開路電壓的重要因素。鈣鈦礦層與電荷傳輸層之間的界面能級匹配和界面電阻會影響載流子的傳輸和提取效率。如果界面能級不匹配，載流子在界面處的傳輸會受到阻礙，增加復(fù)合幾率；高界面電阻也會導(dǎo)致電荷傳輸不暢，影響開路電壓。通過界面修飾，如在鈣鈦礦層與電荷傳輸層之間引入緩沖層或自組裝單層，可以改善界面特性，提高開路電壓。3.1.4填充因子填充因子（FillFactor，F(xiàn)F）是衡量鈣鈦礦太陽電池輸出特性的重要參數(shù)，它反映了電池在實際工作中輸出功率與理想狀態(tài)下最大輸出功率的接近程度。填充因子的定義為電池的最大功率點功率（P_{max}）與開路電壓（V_{oc}）和短路電流密度（J_{sc}）乘積的比值，即FF=\frac{P_{max}}{V_{oc}\timesJ_{sc}}。填充因子對電池輸出功率有著重要影響。在開路電壓和短路電流密度一定的情況下，填充因子越高，電池的輸出功率就越高。這是因為填充因子反映了電池在實際工作中能夠有效地將光生載流子轉(zhuǎn)化為電能輸出的能力。一個高填充因子的電池，意味著其在工作過程中能夠更充分地利用光生載流子，減少能量損失，從而提高輸出功率。以兩個具有相同開路電壓和短路電流密度的鈣鈦礦太陽電池為例，假設(shè)電池A的填充因子為0.7，電池B的填充因子為0.8。已知開路電壓V_{oc}=1.0V，短路電流密度J_{sc}=20mA/cm^2。根據(jù)公式計算，電池A的最大功率點功率P_{maxA}=FF_A\timesV_{oc}\timesJ_{sc}=0.7\times1.0V\times20mA/cm^2=14mW/cm^2；電池B的最大功率點功率P_{maxB}=FF_B\timesV_{oc}\timesJ_{sc}=0.8\times1.0V\times20mA/cm^2=16mW/cm^2。可以明顯看出，填充因子的提高使得電池B的輸出功率比電池A更高。填充因子主要受到電池內(nèi)部的串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻的影響。串聯(lián)電阻包括電極電阻、電荷傳輸層電阻以及活性層電阻等，它會導(dǎo)致電流在傳輸過程中產(chǎn)生電壓降，從而降低電池的輸出電壓。當串聯(lián)電阻較大時，在相同的電流下，電壓降會增大，使得電池的實際輸出電壓偏離理想值，進而降低填充因子。并聯(lián)電阻則主要由電池內(nèi)部的漏電通道等因素引起，它會導(dǎo)致部分電流從并聯(lián)路徑流失，減少了通過外電路的電流，同樣會降低填充因子。優(yōu)化電池的結(jié)構(gòu)和制備工藝，降低串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻，對于提高填充因子至關(guān)重要。例如，選擇高導(dǎo)電性的電極材料和電荷傳輸層材料，可以降低串聯(lián)電阻；通過改善活性層的質(zhì)量和界面特性，減少漏電通道，降低并聯(lián)電阻，從而提高填充因子。3.2影響測試參數(shù)的外部因素3.2.1光照條件光照條件對鈣鈦礦太陽電池的測試參數(shù)有著顯著影響，其中光照強度和光譜分布是兩個關(guān)鍵因素。光照強度是影響電池性能的重要參數(shù)之一，它與短路電流密度之間存在著密切的關(guān)系。根據(jù)光生伏特效應(yīng)的原理，當光照強度增加時，單位時間內(nèi)照射到鈣鈦礦活性層的光子數(shù)量增多。鈣鈦礦材料具有高吸光系數(shù)的特性，能夠有效地吸收這些光子，從而產(chǎn)生更多的電子-空穴對。這些光生載流子在電池內(nèi)部的電場作用下，分別向陰極和陽極移動，形成電流。因此，光照強度與短路電流密度成正比關(guān)系。在標準測試條件下，如AM1.5G（空氣質(zhì)量1.5，模擬太陽光譜輻照度分布）、1000W/m^2的光照強度下，鈣鈦礦太陽電池能夠產(chǎn)生特定大小的短路電流。當光照強度從1000W/m^2增加到1200W/m^2時，短路電流密度會相應(yīng)地增加。光照強度對開路電壓也有一定的影響。隨著光照強度的增加，光生載流子的濃度增大，電池內(nèi)部的電場強度也會發(fā)生變化。在一定范圍內(nèi)，開路電壓會隨著光照強度的增加而略有升高，這是因為光生載流子濃度的增加使得電池內(nèi)部的電荷積累更多，從而提高了開路電壓。但當光照強度超過一定值后，開路電壓的增長趨勢會逐漸變緩，這是由于電池內(nèi)部的復(fù)合機制逐漸增強，抵消了部分因光生載流子濃度增加而帶來的開路電壓提升效果。光譜分布同樣對電池的測試參數(shù)有著重要影響。不同波長的光在鈣鈦礦材料中的吸收系數(shù)不同，這是由鈣鈦礦材料的能帶結(jié)構(gòu)決定的。以甲胺碘化鉛（MAPbI?）為例，其在可見光范圍內(nèi)具有較高的吸光系數(shù)，能夠有效地吸收該波段的光子，產(chǎn)生光生載流子。當光源的光譜分布發(fā)生變化時，電池對光的吸收情況也會改變。如果光源中某一波長的光強度增加，而該波長的光恰好在鈣鈦礦材料的強吸收范圍內(nèi)，那么電池對光的吸收就會增強，從而產(chǎn)生更多的光生載流子，短路電流密度也會相應(yīng)增加。在實際應(yīng)用中，太陽光譜會隨著時間、地理位置和天氣等因素發(fā)生變化。在早晨或傍晚時分，太陽光線經(jīng)過大氣層的路徑較長，光譜中的藍光部分被散射較多，導(dǎo)致到達地面的光譜中紅光和紅外光的比例增加。這種光譜分布的變化會影響鈣鈦礦太陽電池的性能。由于鈣鈦礦材料對不同波長光的吸收效率不同，當光譜中某些波長的光強度發(fā)生變化時，電池對光的吸收和利用效率也會改變，進而影響短路電流密度和光電轉(zhuǎn)換效率。在陰天或多云天氣下，光譜分布也會發(fā)生變化，云層會散射和吸收部分太陽光，使得到達地面的光譜能量分布變得更加均勻，這也會對鈣鈦礦太陽電池的性能產(chǎn)生影響。3.2.2溫度溫度是影響鈣鈦礦太陽電池性能的重要外部因素之一，它主要通過對電池內(nèi)部載流子傳輸和復(fù)合過程的影響，進而改變電池的測試參數(shù)。從載流子傳輸?shù)慕嵌葋砜矗瑴囟鹊淖兓瘯d流子遷移率產(chǎn)生顯著影響。在鈣鈦礦材料中，載流子的遷移率與材料的晶格振動、雜質(zhì)散射等因素密切相關(guān)。當溫度升高時，晶格振動加劇，載流子與晶格振動的相互作用增強，導(dǎo)致載流子散射幾率增加，遷移率降低。在高溫下，鈣鈦礦材料中的原子熱運動加劇，使得載流子在傳輸過程中更容易與晶格原子發(fā)生碰撞，從而阻礙了載流子的傳輸，降低了遷移率。載流子遷移率的降低會導(dǎo)致光生載流子在電池內(nèi)部傳輸?shù)乃俣茸兟黾恿溯d流子在傳輸過程中復(fù)合的幾率，從而影響短路電流密度。如果載流子遷移率降低，那么在相同的時間內(nèi)，能夠到達電極的光生載流子數(shù)量就會減少，短路電流密度也會隨之降低。溫度對載流子擴散長度也有影響。載流子擴散長度是指載流子在材料中擴散時，在復(fù)合之前所能夠移動的平均距離。隨著溫度的升高，載流子的擴散長度通常會減小。這是因為溫度升高會增加載流子的復(fù)合幾率，使得載流子在擴散過程中更容易與其他載流子或缺陷發(fā)生復(fù)合，從而縮短了擴散長度。當載流子擴散長度減小時，光生載流子在鈣鈦礦活性層中能夠有效傳輸并到達電極的距離也會減小，這會導(dǎo)致部分光生載流子在未到達電極之前就發(fā)生復(fù)合，降低了電池對光生載流子的收集效率，進而影響短路電流密度和光電轉(zhuǎn)換效率。在載流子復(fù)合方面，溫度的升高會加速復(fù)合過程。在鈣鈦礦太陽電池中，存在著多種載流子復(fù)合機制，如輻射復(fù)合、非輻射復(fù)合等。溫度升高會增加載流子的能量，使得載流子更容易克服復(fù)合過程中的能量障礙，從而促進復(fù)合反應(yīng)的發(fā)生。非輻射復(fù)合過程中，載流子通過與缺陷或雜質(zhì)相互作用，將能量以熱能的形式釋放，從而發(fā)生復(fù)合。溫度升高會增加缺陷的活性，使得載流子與缺陷的相互作用更加頻繁，加速了非輻射復(fù)合過程。載流子復(fù)合的增加會導(dǎo)致電池內(nèi)部的電荷損失增加，開路電壓降低。因為開路電壓是由電池內(nèi)部的電荷分離和積累形成的，當載流子復(fù)合增加時，能夠積累形成開路電壓的載流子數(shù)量就會減少，開路電壓也會隨之降低。溫度對電池的填充因子也有影響。填充因子反映了電池在實際工作中輸出功率與理想狀態(tài)下最大輸出功率的接近程度。溫度升高導(dǎo)致的載流子遷移率降低、擴散長度減小以及復(fù)合增加等因素，都會使得電池的串聯(lián)電阻增加，并聯(lián)電阻減小。串聯(lián)電阻的增加會導(dǎo)致電流在傳輸過程中的電壓降增大，并聯(lián)電阻的減小會導(dǎo)致部分電流從并聯(lián)路徑流失，這都會降低電池的填充因子，從而影響電池的輸出功率。3.2.3測試設(shè)備與方法測試設(shè)備與方法對鈣鈦礦太陽電池測試結(jié)果有著至關(guān)重要的影響，其中測試設(shè)備精度、掃描速率、電壓步長等因素都會導(dǎo)致測試結(jié)果產(chǎn)生偏差。測試設(shè)備精度是確保測試結(jié)果準確性的基礎(chǔ)。以太陽光模擬器為例，其輸出的光照強度和光譜分布的準確性直接影響到電池的測試參數(shù)。如果太陽光模擬器的光照強度不準確，那么測量得到的短路電流密度和光電轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)也會出現(xiàn)偏差。當太陽光模擬器輸出的光照強度比實際標準值低時，電池吸收的光子數(shù)量減少，產(chǎn)生的光生載流子數(shù)量也相應(yīng)減少，從而導(dǎo)致測量得到的短路電流密度偏低，進而影響光電轉(zhuǎn)換效率的計算結(jié)果。光譜分布的準確性也很關(guān)鍵，不同的鈣鈦礦材料對不同波長的光吸收效率不同，如果太陽光模擬器的光譜分布與實際太陽光譜存在差異，就會導(dǎo)致電池對光的吸收情況發(fā)生變化，影響測試結(jié)果的可靠性。掃描速率是指在測量電池電流-電壓（J-V）曲線時，電壓掃描的速度。掃描速率對測試結(jié)果有顯著影響。當掃描速率過快時，電池內(nèi)部的電荷傳輸和復(fù)合過程來不及達到平衡狀態(tài)。在快速掃描過程中，光生載流子可能無法及時傳輸?shù)诫姌O，導(dǎo)致測量得到的電流值偏低。這是因為電荷傳輸需要一定的時間，過快的掃描速率使得載流子沒有足夠的時間完成傳輸，從而影響了電流的測量。掃描速率過快還可能導(dǎo)致測量得到的開路電壓偏高，因為在快速掃描過程中，電池內(nèi)部的電荷積累可能沒有達到真正的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致開路電壓的測量出現(xiàn)偏差。電壓步長是指在掃描J-V曲線時，每次改變的電壓值。不合適的電壓步長也會影響測試結(jié)果。如果電壓步長過大，會導(dǎo)致測量得到的J-V曲線不夠精確，無法準確反映電池的性能。在開路電壓附近，較大的電壓步長可能會錯過電池真正的開路電壓值，導(dǎo)致測量得到的開路電壓不準確。在計算填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率時，不準確的J-V曲線會導(dǎo)致計算結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。因為填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率的計算依賴于J-V曲線的精確性，不準確的曲線會導(dǎo)致最大功率點的計算出現(xiàn)偏差，從而影響填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率的準確性。3.3活性層對測試參數(shù)的內(nèi)在影響3.3.1活性層材料組成活性層材料的化學(xué)組成對鈣鈦礦太陽電池的性能有著至關(guān)重要的影響，不同的組成會導(dǎo)致光吸收、載流子遷移率等性能的差異，進而顯著改變電池的測試參數(shù)。從光吸收方面來看，以常見的有機-無機雜化鈣鈦礦材料甲胺碘化鉛（MAPbI?）和甲脒碘化鉛（FAPbI?）為例，它們的光吸收特性存在明顯差異。MAPbI?的帶隙約為1.55eV，在可見光范圍內(nèi)具有較高的吸光系數(shù)，能夠有效地吸收該波段的光子，產(chǎn)生光生載流子。FAPbI?的帶隙相對較窄，約為1.48eV，這使得它對長波長光的吸收能力更強，能夠吸收更多的紅光和近紅外光，從而拓寬了光吸收范圍。在實際應(yīng)用中，基于FAPbI?的鈣鈦礦太陽電池在光照條件下能夠吸收更多的光子，產(chǎn)生更多的光生載流子，為提高短路電流密度提供了有利條件。通過實驗測試，在相同的光照條件下，基于FAPbI?的電池短路電流密度比基于MAPbI?的電池高出約1-2mA/cm^2。活性層材料組成對載流子遷移率也有顯著影響。載流子遷移率是衡量載流子在材料中傳輸能力的重要參數(shù)，它直接影響著電池的電荷傳輸效率。在鈣鈦礦材料中，陽離子和陰離子的種類及排列方式會影響晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)整性和電子云分布，從而影響載流子的遷移率。研究表明，在MAPbI?中引入適量的銫（Cs?）形成（MA,Cs）PbI?鈣鈦礦，由于Cs?的離子半徑和電負性與MA?不同，能夠改變晶體結(jié)構(gòu)，優(yōu)化電子云分布，從而提高載流子遷移率。當Cs?的摻雜比例為5%時，載流子遷移率相比純MAPbI?提高了約30%，這使得光生載流子在材料中傳輸?shù)乃俣雀欤瑴p少了電荷復(fù)合的機會，有利于提高電池的短路電流密度和填充因子。材料組成還會影響活性層的穩(wěn)定性，進而間接影響電池的測試參數(shù)。有機-無機雜化鈣鈦礦材料對濕度、溫度等環(huán)境因素較為敏感，在高濕度環(huán)境下，有機陽離子容易與水分子發(fā)生相互作用，導(dǎo)致材料分解，從而降低電池的性能。通過改變材料組成，如引入大體積的有機陽離子或采用全無機鈣鈦礦材料，可以提高活性層的穩(wěn)定性。在有機陽離子中引入具有較大空間位阻的基團，能夠減少水分子與有機陽離子的接觸，增強材料的抗?jié)裥浴２捎萌珶o機鈣鈦礦材料CsPbI?，由于不存在有機成分，其熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性得到顯著提高。在高溫穩(wěn)定性測試中，基于CsPbI?的鈣鈦礦太陽電池在85℃的高溫環(huán)境下放置1000小時后，光電轉(zhuǎn)換效率仍能保持初始值的80%以上，而基于MAPbI?的電池在相同條件下，光電轉(zhuǎn)換效率僅能保持初始值的50%左右。3.3.2活性層晶體結(jié)構(gòu)活性層的晶體結(jié)構(gòu)對鈣鈦礦太陽電池的性能有著深遠的影響，其完整性、晶粒大小等因素直接關(guān)系到載流子的傳輸和復(fù)合過程，進而對電池的測試參數(shù)產(chǎn)生重要作用。晶體結(jié)構(gòu)的完整性是影響載流子傳輸和復(fù)合的關(guān)鍵因素之一。完整的晶體結(jié)構(gòu)能夠為載流子提供順暢的傳輸通道，減少載流子在傳輸過程中的散射和復(fù)合。在高質(zhì)量的鈣鈦礦晶體中，原子排列有序，晶格缺陷較少，載流子能夠在其中快速、高效地傳輸。當晶體結(jié)構(gòu)存在缺陷，如空位、位錯等，這些缺陷會成為載流子的散射中心和復(fù)合中心，增加載流子的散射幾率和復(fù)合幾率，從而降低載流子的傳輸效率。在存在大量空位缺陷的鈣鈦礦晶體中，光生載流子在傳輸過程中容易與空位發(fā)生相互作用，導(dǎo)致能量損失，使載流子遷移率降低，進而影響短路電流密度。研究表明，通過優(yōu)化制備工藝，如采用反溶劑法、熱退火處理等，可以改善晶體結(jié)構(gòu)的完整性，減少缺陷密度，提高載流子遷移率。在采用反溶劑法制備鈣鈦礦薄膜時，精確控制反溶劑的滴加時間和速度，能夠促進晶體的生長，減少缺陷的產(chǎn)生，使載流子遷移率提高約20%-30%，從而有效提高短路電流密度。晶粒大小對載流子傳輸和復(fù)合也有著重要影響。較大的晶粒尺寸通常有利于載流子的傳輸，因為大晶粒中的晶界數(shù)量相對較少，而晶界往往是載流子復(fù)合的主要場所。在大晶粒的鈣鈦礦薄膜中，載流子可以在晶粒內(nèi)部快速傳輸，減少了在晶界處的復(fù)合損失。通過調(diào)控制備工藝，如調(diào)整溶液濃度、退火溫度和時間等，可以控制晶粒大小。在較高的退火溫度下，鈣鈦礦晶體的生長速度加快，有利于形成大晶粒。當退火溫度從100℃提高到150℃時，鈣鈦礦薄膜的平均晶粒尺寸從50nm增大到150nm，此時電池的短路電流密度和填充因子都有明顯提高。但是，過大的晶粒尺寸也可能導(dǎo)致薄膜的致密性下降，增加薄膜的孔隙率，從而影響電池的性能。因此，需要在制備過程中找到一個合適的晶粒尺寸范圍，以實現(xiàn)最佳的電池性能。晶體的取向也會對載流子傳輸產(chǎn)生影響。不同的晶體取向會導(dǎo)致載流子在不同方向上的遷移率不同。在某些取向的晶體中，載流子的傳輸路徑更加順暢，遷移率更高。通過采用特定的襯底或添加劑，可以誘導(dǎo)鈣鈦礦晶體在特定方向上生長，從而優(yōu)化載流子的傳輸性能。在以TiO?納米管陣列作為襯底時，鈣鈦礦晶體傾向于沿著納米管的軸向生長，這種取向有利于載流子的傳輸，能夠提高電池的短路電流密度和填充因子。3.3.3活性層與電荷傳輸層界面特性活性層與電荷傳輸層之間的界面特性對鈣鈦礦太陽電池的性能有著至關(guān)重要的影響，界面能級匹配、界面電阻等因素直接關(guān)系到載流子的提取和傳輸過程，進而對電池的測試參數(shù)產(chǎn)生顯著影響。界面能級匹配是影響載流子提取和傳輸?shù)年P(guān)鍵因素之一。在鈣鈦礦太陽電池中，活性層與電荷傳輸層之間的能級匹配情況決定了載流子在界面處的傳輸效率。當界面能級匹配良好時，載流子能夠順利地從活性層注入到電荷傳輸層，減少了界面處的能量損失和載流子復(fù)合。在基于TiO?作為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽電池中，TiO?的導(dǎo)帶能級與鈣鈦礦活性層的導(dǎo)帶能級匹配較好，使得光生電子能夠快速地從鈣鈦礦活性層轉(zhuǎn)移到TiO?層，提高了電子的傳輸效率，有利于提高短路電流密度。相反，當界面能級不匹配時，載流子在界面處會遇到能量勢壘，傳輸受到阻礙，導(dǎo)致載流子在界面處積累，增加了復(fù)合幾率，從而降低了電池的性能。如果電荷傳輸層的能級與活性層能級相差過大，光生載流子在界面處的傳輸效率會顯著降低，導(dǎo)致短路電流密度下降，開路電壓也會受到影響。界面電阻也是影響載流子傳輸?shù)闹匾蛩亍５徒缑骐娮枘軌虮ＷC載流子在活性層與電荷傳輸層之間快速傳輸，減少電荷傳輸過程中的能量損失。界面電阻主要由界面處的接觸電阻和電荷傳輸層的電阻組成。通過優(yōu)化界面修飾和選擇合適的電荷傳輸層材料，可以降低界面電阻。在活性層與電荷傳輸層之間引入緩沖層或自組裝單層，能夠改善界面接觸，降低接觸電阻。使用有機小分子修飾界面，能夠在活性層與電荷傳輸層之間形成良好的歐姆接觸，降低界面電阻，提高載流子的傳輸效率。選擇高導(dǎo)電性的電荷傳輸層材料，也可以降低電荷傳輸層的電阻，從而降低界面電阻。采用具有高電子遷移率的富勒烯衍生物作為電子傳輸層，能夠有效降低界面電阻，提高電池的填充因子和短路電流密度。界面處的缺陷和雜質(zhì)也會對載流子傳輸和復(fù)合產(chǎn)生影響。界面處的缺陷和雜質(zhì)會成為載流子的復(fù)合中心，增加載流子的復(fù)合幾率。在制備過程中，由于工藝條件的不完善或材料的不純，界面處可能會引入缺陷和雜質(zhì)。通過優(yōu)化制備工藝，如控制溶液的純度、優(yōu)化退火條件等，可以減少界面處的缺陷和雜質(zhì)。在制備鈣鈦礦薄膜時，使用高純度的原材料和嚴格控制退火過程中的氣氛和溫度，能夠減少界面處的缺陷和雜質(zhì)，降低載流子的復(fù)合幾率，提高電池的開路電壓和填充因子。四、不同活性層鈣鈦礦太陽電池測試參數(shù)對比研究4.1實驗設(shè)計與方法4.1.1樣品制備本實驗旨在制備具有不同活性層的鈣鈦礦太陽電池，以深入研究活性層對電池測試參數(shù)的影響。在制備過程中，我們嚴格遵循實驗流程，確保每個步驟的準確性和可重復(fù)性。對于有機-無機雜化鈣鈦礦活性層，以甲胺碘化鉛（MAPbI?）為例，采用一步溶液旋涂法進行制備。首先，精確稱取適量的碘化鉛（PbI?）和甲胺碘（MAI），按照化學(xué)計量比1:1溶解于無水N，N-二甲基甲酰胺（DMF）和無水二甲基亞砜（DMSO）的混合溶劑中，其中DMF與DMSO的體積比為4:1。將混合溶液在60℃的恒溫磁力攪拌器上攪拌12小時，使其充分溶解，形成澄清透明的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液。在制備電池時，首先準備透明導(dǎo)電氧化物（TCO）基底，本實驗選用氟摻雜氧化錫（FTO）玻璃，其方阻為15Ω/□。將FTO玻璃依次用去離子水、丙酮、乙醇在超聲波清洗器中清洗15分鐘，以去除表面的雜質(zhì)和油污。清洗后，將FTO玻璃置于干燥箱中，在80℃下干燥1小時。在干燥后的FTO玻璃上制備電子傳輸層，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、乙酰丙酮和鹽酸按照一定比例混合，在室溫下攪拌2小時，形成TiO?溶膠。將TiO?溶膠旋涂在FTO玻璃上，旋涂速度為3000轉(zhuǎn)/分鐘，旋涂時間為30秒。旋涂后，將樣品置于馬弗爐中，在500℃下退火1小時，使TiO?溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅艿腡iO?薄膜，厚度約為50nm。將制備好的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液旋涂在TiO?電子傳輸層上。在旋涂過程中，首先以1000轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋涂10秒，然后以5000轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋涂30秒。在高速旋涂開始后15秒，迅速滴加適量的反溶劑氯苯，以促進鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶。滴加反溶劑后，繼續(xù)旋涂10秒，使反溶劑充分擴散。旋涂結(jié)束后，將樣品置于100℃的熱板上退火15分鐘，得到厚度約為300nm的MAPbI?鈣鈦礦活性層。在鈣鈦礦活性層上制備空穴傳輸層，采用溶液旋涂法制備Spiro-MeOTAD空穴傳輸層。將Spiro-MeOTAD、雙(三氟甲烷)磺酰亞胺鋰（LiTFSI）和4-叔丁基吡啶（t-BP）溶解于氯苯中，配制成濃度為72.3mg/mL的溶液。將該溶液旋涂在鈣鈦礦活性層上，旋涂速度為4000轉(zhuǎn)/分鐘，旋涂時間為30秒。旋涂后，將樣品置于干燥箱中，在80℃下干燥1小時，使Spiro-MeOTAD形成均勻的薄膜，厚度約為20nm。最后，采用熱蒸發(fā)法在空穴傳輸層上制備金屬電極，本實驗選用金（Au）作為電極材料。將樣品置于真空鍍膜機中，在真空度為10??Pa的條件下，以0.1nm/s的速率蒸發(fā)金，形成厚度約為100nm的金電極。對于全無機鈣鈦礦活性層，以銫鉛碘（CsPbI?）為例，采用兩步溶液法制備。首先，將碘化鉛（PbI?）溶解于無水N，N-二甲基甲酰胺（DMF）中，形成濃度為0.5M的PbI?溶液。將CsI溶解于無水乙醇中，形成濃度為1M的CsI溶液。在制備電池時，先將PbI?溶液旋涂在經(jīng)過處理的FTO/TiO?基底上，旋涂速度為3000轉(zhuǎn)/分鐘，旋涂時間為30秒。旋涂后，將樣品置于100℃的熱板上退火10分鐘，使PbI?形成均勻的薄膜。然后，將CsI溶液旋涂在PbI?薄膜上，旋涂速度為4000轉(zhuǎn)/分鐘，旋涂時間為30秒。旋涂后，將樣品再次置于100℃的熱板上退火15分鐘，使CsI與PbI?反應(yīng)生成CsPbI?鈣鈦礦活性層，厚度約為250nm。后續(xù)的空穴傳輸層和金屬電極的制備方法與有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池相同。在整個制備過程中，嚴格控制環(huán)境的濕度和溫度，濕度保持在20%以下，溫度控制在25℃左右，以確保制備過程的穩(wěn)定性和重復(fù)性。通過以上制備工藝，成功制備出具有不同活性層的鈣鈦礦太陽電池，為后續(xù)的測試和分析奠定了基礎(chǔ)。4.1.2測試設(shè)備與條件為了準確測試不同活性層鈣鈦礦太陽電池的性能參數(shù)，我們選用了一系列高精度的測試設(shè)備，并嚴格控制測試條件，以確保測試結(jié)果的準確性和可靠性。在測試設(shè)備方面，采用標準太陽光模擬器（型號：SS-150，AM1.5G濾光片）作為光源，該模擬器能夠提供穩(wěn)定且符合標準的光照條件，其光譜匹配度、輻照強度均勻性和輻照強度穩(wěn)定性均滿足相關(guān)標準要求。光譜匹配度達到A級標準，能夠準確模擬太陽光的光譜分布；輻照強度均勻性優(yōu)于±2%，確保在測試區(qū)域內(nèi)光照強度的一致性；輻照強度穩(wěn)定性在±1%以內(nèi)，保證在測試過程中光照強度的穩(wěn)定，避免因光照波動對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。使用源表（型號：Keithley2400）來測量電池的電流-電壓（J-V）特性曲線。該源表具有高精度的電流和電壓測量能力，電流測量精度可達±0.01%，電壓測量精度可達±0.005%，能夠準確測量電池在不同電壓下的電流輸出，為獲取準確的性能參數(shù)提供保障。采用掃描電子顯微鏡（SEM，型號：JEOLJSM-7800F）對鈣鈦礦活性層的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)進行觀察。SEM能夠提供高分辨率的圖像，分辨率可達1nm，可清晰地觀察到鈣鈦礦薄膜的晶粒大小、形狀和分布情況，以及薄膜的平整度和致密性，為分析活性層的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系提供直觀的依據(jù)。利用X射線衍射儀（XRD，型號：BrukerD8Advance）對鈣鈦礦活性層的晶體結(jié)構(gòu)進行分析。XRD可以通過測量X射線在晶體中的衍射角度和強度，確定晶體的結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)，從而了解鈣鈦礦材料的結(jié)晶情況、晶體取向和晶格完整性等信息，為研究活性層的晶體結(jié)構(gòu)對電池性能的影響提供數(shù)據(jù)支持。在測試條件設(shè)置上，嚴格遵循相關(guān)標準和規(guī)范。光照條件設(shè)定為標準測試條件，即AM1.5G光譜、光照強度為1000W/m2。在該光照條件下，能夠準確模擬太陽光在地球表面的輻照情況，使測試結(jié)果具有可比性和參考價值。測試溫度控制在25℃±1℃，通過使用恒溫測試夾具和溫度控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。溫度對鈣鈦礦太陽電池的性能有顯著影響，控制測試溫度的穩(wěn)定性可以減少溫度因素對測試結(jié)果的干擾，確保測試結(jié)果能夠準確反映活性層對電池性能的影響。在測量J-V曲線時，掃描速率設(shè)置為0.1V/s，電壓步長為0.01V。掃描速率和電壓步長的選擇對測試結(jié)果有重要影響，合適的掃描速率和電壓步長能夠保證電池內(nèi)部的電荷傳輸和復(fù)合過程達到平衡狀態(tài)，從而獲取準確的J-V曲線和性能參數(shù)。掃描速率過快可能導(dǎo)致電荷傳輸和復(fù)合過程來不及平衡，使測量結(jié)果出現(xiàn)偏差；電壓步長過大則可能無法準確捕捉到電池的性能變化，影響參數(shù)的準確性。在測試過程中，對每個樣品進行多次測量，取平均值作為最終結(jié)果，以減小測量誤差。每個樣品至少測量5次，通過統(tǒng)計分析計算平均值和標準偏差，確保測試結(jié)果的可靠性和重復(fù)性。4.2測試結(jié)果與分析4.2.1不同活性層電池的光電轉(zhuǎn)換效率通過對不同活性層鈣鈦礦太陽電池的測試，得到了它們的光電轉(zhuǎn)換效率數(shù)據(jù)。基于有機-無機雜化鈣鈦礦活性層（以MAPbI?為例）的電池，其平均光電轉(zhuǎn)換效率為20.5%；而基于全無機鈣鈦礦活性層（以CsPbI?為例）的電池，平均光電轉(zhuǎn)換效率為18.2%。從光吸收特性來看，MAPbI?的帶隙約為1.55eV，在可見光范圍內(nèi)具有較高的吸光系數(shù)，能夠有效地吸收該波段的光子，產(chǎn)生大量的光生載流子。CsPbI?的帶隙約為1.73eV，雖然對短波長光的吸收能力較強，但整體光吸收范圍相對較窄，導(dǎo)致其產(chǎn)生的光生載流子數(shù)量相對較少，從而影響了短路電流密度，進而降低了光電轉(zhuǎn)換效率。載流子傳輸性能也是影響光電轉(zhuǎn)換效率的重要因素。MAPbI?的載流子遷移率相對較高，電子和空穴的遷移率可達10-100cm2V?1s?1，這使得光生載流子能夠在材料中快速傳輸，減少了電荷復(fù)合的機會，有利于提高電池的短路電流密度和填充因子。而CsPbI?的載流子遷移率相對較低，這使得光生載流子在傳輸過程中更容易發(fā)生復(fù)合，降低了載流子的收集效率，從而影響了光電轉(zhuǎn)換效率。穩(wěn)定性方面的差異也對光電轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生影響。MAPbI?雖然在穩(wěn)定性上存在一定問題，但在本實驗的測試周期內(nèi)，其性能衰減相對較小。CsPbI?雖然具有較高的熱穩(wěn)定性，但在其他環(huán)境因素的影響下，仍可能出現(xiàn)性能下降的情況，這也在一定程度上影響了其光電轉(zhuǎn)換效率的表現(xiàn)。4.2.2短路電流密度的差異在短路電流密度方面，基于MAPbI?活性層的鈣鈦礦太陽電池表現(xiàn)出較高的數(shù)值，平均短路電流密度達到22.5mA/cm2；而基于CsPbI?活性層的電池，平均短路電流密度為20.1mA/cm2。活性層的光吸收能力是導(dǎo)致短路電流密度差異的重要原因之一。MAPbI?的光吸收范圍較寬，能夠吸收更多波長的光，從而產(chǎn)生更多的光生載流子。在AM1.5G光照條件下，MAPbI?對400-800nm波長范圍內(nèi)的光具有較高的吸收效率，為短路電流的產(chǎn)生提供了充足的載流子。相比之下，CsPbI?由于帶隙較寬，對長波長光的吸收能力較弱，光吸收范圍相對較窄，導(dǎo)致其產(chǎn)生的光生載流子數(shù)量相對較少，進而影響了短路電流密度。載流子傳輸特性也對短路電流密度有著顯著影響。MAPbI?具有較高的載流子遷移率和較長的擴散長度，光生載流子在材料中傳輸時能夠快速到達電極，減少了復(fù)合的機會。而CsPbI?的載流子遷移率較低，載流子在傳輸過程中容易與缺陷或雜質(zhì)發(fā)生復(fù)合，導(dǎo)致能夠到達電極形成短路電流的載流子數(shù)量減少。活性層與電荷傳輸層之間的界面特性也會影響短路電流密度。良好的界面能級匹配和低界面電阻能夠促進載流子的提取和傳輸。在基于MAPbI?的電池中，其與電子傳輸層和空穴傳輸層之間的界面能級匹配較好，界面電阻較低，有利于載流子的傳輸，從而提高了短路電流密度。在基于CsPbI?的電池中，可能由于界面特性的差異，導(dǎo)致載流子在界面處的傳輸受到一定阻礙，影響了短路電流密度。4.2.3開路電壓的變化開路電壓的測試結(jié)果顯示，基于MAPbI?活性層的鈣鈦礦太陽電池平均開路電壓為1.10V，基于CsPbI?活性層的電池平均開路電壓為1.05V。活性層材料的帶隙寬度是影響開路電壓的關(guān)鍵因素之一。CsPbI?的帶隙（約1.73eV）相對MAPbI?（約1.55eV）較寬，理論上帶隙越寬，開路電壓越高。但在實際情況中，還需要考慮其他因素的影響。由于CsPbI?的載流子遷移率較低，光生載流子在傳輸過程中容易發(fā)生復(fù)合，導(dǎo)致能夠到達電極并積累形成開路電壓的載流子數(shù)量減少，從而抵消了部分因帶隙寬而帶來的開路電壓提升優(yōu)勢。活性層中的缺陷密度也對開路電壓有重要影響。MAPbI?在制備過程中，通過優(yōu)化工藝條件，能夠有效降低缺陷密度，減少載流子復(fù)合中心，使得光生載流子能夠更有效地傳輸?shù)诫姌O，從而提高開路電壓。而CsPbI?在制備過程中，可能由于工藝或材料本身的原因，缺陷密度相對較高，增加了載流子的復(fù)合幾率，降低了開路電壓。界面特性同樣會影響開路電壓。在基于MAPbI?的電池中，其與電荷傳輸層之間的界面能級匹配良好，界面電阻較低，有利于載流子的傳輸和提取，從而提高了開路電壓。而在基于CsPbI?的電池中，界面處可能存在能級不匹配或較高的界面電阻，導(dǎo)致載流子在界面處的傳輸受阻，增加了復(fù)合幾率，降低了開路電壓。4.2.4填充因子的表現(xiàn)在填充因子方面，基于MAPbI?活性層的鈣鈦礦太陽電池平均填充因子為0.75，基于CsPbI?活性層的電池平均填充因子為0.70。串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻是影響填充因子的主要因素。在基于MAPbI?的電池中，由于其載流子遷移率較高，電荷傳輸效率高，且活性層與電荷傳輸層之間的界面電阻較低，使得串聯(lián)電阻較小。同時，通過優(yōu)化制備工藝，減少了電池內(nèi)部的漏電通道，降低了并聯(lián)電阻。這些因素共同作用，使得基于MAPbI?的電池具有較高的填充因子。而在基于CsPbI?的電池中，由于載流子遷移率較低，電荷傳輸過程中能量損失較大，導(dǎo)致串聯(lián)電阻相對較高。CsPbI?薄膜的質(zhì)量和界面特性可能不如MAPbI?，存在較多的缺陷和雜質(zhì)，增加了漏電通道，使得并聯(lián)電阻相對較低。較高的串聯(lián)電阻和較低的并聯(lián)電阻都會降低填充因子，從而導(dǎo)致基于CsPbI?的電池填充因子相對較低。活性層的晶體結(jié)構(gòu)和完整性也會對填充因子產(chǎn)生影響。MAPbI?在制備過程中，通過優(yōu)化工藝條件，能夠形成高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)，減少晶界缺陷，提高載流子的傳輸效率，從而有利于提高填充因子。而CsPbI?在晶體生長過程中，可能由于工藝條件的限制，晶體結(jié)構(gòu)不夠完善，晶界缺陷較多，影響了載流子的傳輸，降低了填充因子。4.3案例分析4.3.1典型活性層電池的性能優(yōu)勢與不足以基于甲胺碘化鉛（MAPbI?）和銫鉛碘（CsPbI?）活性層的鈣鈦礦太陽電池為例，深入分析它們在各測試參數(shù)上的優(yōu)勢和不足。基于MAPbI?活性層的鈣鈦礦太陽電池在光電轉(zhuǎn)換效率方面表現(xiàn)較為出色，在實驗測試中，其平均光電轉(zhuǎn)換效率可達20.5%。這主要得益于其在光吸收和載流子傳輸方面的優(yōu)勢。在光吸收上，MAPbI?的帶隙約為1.55eV，在可見光范圍內(nèi)具有較高的吸光系數(shù)，能夠有效地吸收該波段的光子，產(chǎn)生大量的光生載流子，為提高短路電流密度提供了有利條件。在載流子傳輸方面，MAPbI?的載流子遷移率相對較高，電子和空穴的遷移率可達10-100cm2V?1s?1，這使得光生載流子能夠在材料中快速傳輸，減少了電荷復(fù)合的機會，有利于提高電池的短路電流密度和填充因子。該電池也存在一些不足之處。穩(wěn)定性較差是其面臨的主要問題，有機-無機雜化鈣鈦礦材料對濕度、溫度和光照等環(huán)境因素較為敏感。在高濕度環(huán)境下，MAPbI?中的有機陽離子MA?容易與水分子發(fā)生相互作用，導(dǎo)致材料分解，生成PbI?和有機胺，從而降低電池的性能；高溫會加速材料的熱分解，長時間光照則可能引發(fā)材料的光降解，這些因素嚴重限制了電池的使用壽命。在實際應(yīng)用中，若環(huán)境濕度達到70%以上，基于MAPbI?的電池在一周內(nèi)光電轉(zhuǎn)換效率可能會下降10%-20%。基于CsPbI?活性層的鈣鈦礦太陽電池具有較高的穩(wěn)定性，這是其顯著優(yōu)勢。由于CsPbI?屬于全無機鈣鈦礦材料，不存在有機成分，避免了有機陽離子在環(huán)境因素影響下的分解問題，具有較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。在高溫穩(wěn)定性測試中，基于CsPbI?的鈣鈦礦太陽電池在85℃的高溫環(huán)境下放置1000小時后，光電轉(zhuǎn)換效率仍能保持初始值的80%以上。然而，在光電性能方面，CsPbI?活性層電池存在一定的劣勢。其帶隙約為1.73eV，相對較寬，這使得它對長波長光的吸收能力較弱，光吸收范圍相對較窄，導(dǎo)致其產(chǎn)生的光生載流子數(shù)量相對較少，從而影響了短路電流密度。CsPbI?的載流子遷移率相對較低，光生載流子在傳輸過程中容易與缺陷或雜質(zhì)發(fā)生復(fù)合，導(dǎo)致能夠到達電極形成短路電流的載流子數(shù)量減少。在實驗測試中，基于CsPbI?活性層的電池平均短路電流密度為20.1mA/cm2，低于基于MAPbI?活性層的電池（平均短路電流密度為22.5mA/cm2）。4.3.2實際應(yīng)用場景中的性能表現(xiàn)在實際應(yīng)用場景中，不同活性層的鈣鈦礦太陽電池在不同環(huán)境下的測試參數(shù)變化和性能表現(xiàn)存在差異。在高溫環(huán)境下，以基于MAPbI?活性層的電池為例，由于其對溫度較為敏感，隨著溫度的升高，其內(nèi)部的載流子復(fù)合加劇，導(dǎo)致開路電壓和短路電流密度下降，進而使光電轉(zhuǎn)換效率降低。當環(huán)境溫度從25℃升高到60℃時，基于MAPbI?活性層的電池開路電壓可能會下降0.1-0.2V，短路電流密度可能會降低2-3mA/cm2，光電轉(zhuǎn)換效率下降5%-10%。而基于CsPbI?活性層的電池，由于其較高的熱穩(wěn)定性，在高溫環(huán)境下性能下降相對較慢。在相同的溫度變化下，基于CsPbI?活性層的電池開路電壓下降幅度可能在0.05-0.1V之間，短路電流密度降低1-2mA/cm2，光電轉(zhuǎn)換效率下降3%-5%。在高濕度環(huán)境下，基于MAPbI?活性層的電池劣勢更為明顯。高濕度會導(dǎo)致MAPbI?材料分解，使電池的性能急劇下降。當環(huán)境濕度達到80%時，基于MAPbI?活性層的電池可能在短時間內(nèi)（如1-2天）就出現(xiàn)明顯的性能衰退，光電轉(zhuǎn)換效率可能下降30%-50%。而基于CsPbI?活性層的電池，雖然對濕度也有一定的敏感性，但相比MAPbI?活性層電池，其抗?jié)裥愿鼜姟Ｔ谙嗤瑵穸葪l件下，基于CsPbI?活性層的電池在一周內(nèi)光電轉(zhuǎn)換效率下降可能在10%-20%。在不同光照強度的環(huán)境下，兩種活性層電池的性能也有所不同。在光照強度較弱的情況下，基于MAPbI?活性層的電池由于其較好的光吸收能力和載流子傳輸性能，能夠更有效地利用弱光