鈣鈦礦太陽(yáng)能電池基本原理

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是目前比較熱門(mén)的研究對(duì)象，國(guó)內(nèi)外很多課題組從事于這方面的研究。該類(lèi)型電池的光吸收層材料為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，因此被命名為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。材料的禁帶寬度可以通過(guò)改變組成物質(zhì)的種類(lèi)及比例來(lái)調(diào)控，能覆蓋的光譜吸收范圍寬至紅外波段，同時(shí)具備載流子擴(kuò)散距離長(zhǎng)和遷移率高的優(yōu)點(diǎn)。器件的光電轉(zhuǎn)換效率從2009年報(bào)道的3.8%到如今的最高25.2%。在生產(chǎn)工藝上，能通過(guò)溶液旋涂法進(jìn)行低溫制備，整體制造成本較低，并且可以制備柔性器件。兼具上述優(yōu)勢(shì)，鈣鈦礦電池憑借其無(wú)比卓越的光電性質(zhì)和前景巨大的發(fā)展空間得到了全世界的研究人員的認(rèn)可，可以說(shuō)是站在了太陽(yáng)能電池舞臺(tái)的中央。

 

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池基本原理是光生伏特效應(yīng)，器件的工作機(jī)制總體可以被劃分為五個(gè)過(guò)程：

1、光子吸收過(guò)程：受到太陽(yáng)光輻射時(shí)，電池的光吸收層材料吸收光子產(chǎn)生受庫(kù)侖力作用束縛的電子-空穴對(duì)，即激子。

 

2、激子擴(kuò)散過(guò)程：激子產(chǎn)生后不會(huì)停留在原處，會(huì)在整個(gè)晶體內(nèi)運(yùn)動(dòng)。激子的擴(kuò)散長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，激子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程發(fā)生復(fù)合的幾率較小，大概率可以擴(kuò)散到界面處。

 

3、激子解離過(guò)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(chǎng)的作用下容易發(fā)生解離，其中電子躍遷到激發(fā)態(tài)，進(jìn)入LUMO能級(jí)，解除束縛的空穴留在HOMO能級(jí)，進(jìn)而成為自由載流子。

 

4、載流子傳輸過(guò)程：激子解離后形成的自由載流子，其中自由電子通過(guò)電子傳輸層向陰極傳輸，自由空穴通過(guò)空穴傳輸層向陽(yáng)極傳輸。

 

5、電荷收集過(guò)程：自由電子通過(guò)電子傳輸層后被陰極層收集，自由空穴通過(guò)空穴傳輸層后被陽(yáng)極層收集，兩極形成電勢(shì)差。電池與外加負(fù)載構(gòu)成閉合回路，回路中形成電流。