鈣鈦礦電池，即鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池（perovskite solar cells），是利用鈣鈦礦型的有機(jī)金屬鹵化物半導(dǎo)體作為吸光材料的太陽(yáng)能電池，屬于第三代太陽(yáng)能電池。以下是對(duì)其結(jié)構(gòu)的詳細(xì)分析：

一、基本構(gòu)造

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的基本構(gòu)造為五層“三明治”結(jié)構(gòu)，其中以鈣鈦礦層為中心，上下兩側(cè)為兩個(gè)傳輸層，最外側(cè)為兩個(gè)電極層。以單結(jié)平面鈣鈦礦電池為例，自下往上依次為：玻璃、透明電極（FTO、ITO或FTO）、電子傳輸層、鈣鈦礦層、空穴傳輸層、金屬電極。

二、各層功能及材料

1. 鈣鈦礦層

• 功能：吸收光照能量，在內(nèi)部產(chǎn)生激子（載流子對(duì)）。

• 材料：為ABX3結(jié)構(gòu)，其中A通常為有機(jī)陽(yáng)離子（如甲胺離子、甲脒離子等）或無機(jī)陽(yáng)離子（如銫離子），B為二價(jià)金屬陽(yáng)離子（如鉛離子、錫離子等），X為鹵素陰離子（如氯、溴、碘）。為了形成基本的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，A、B、X位離子的有效離子半徑配比需要滿足特定的容忍因子條件。根據(jù)A位是否有機(jī)離子可分為有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦和全無機(jī)鈣鈦礦，前者綜合性能良好運(yùn)用廣泛、后者熱穩(wěn)定性好但效率較低。

2. 電子傳輸層

• 功能：將電子高效地向電極傳輸，并阻擋空穴向外側(cè)電極移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)載流子的分離，防止鈣鈦礦層與電極直接接觸內(nèi)部短路。

• 材料：石墨烯、PCBM等有機(jī)材料具有良好的能級(jí)匹配，但穩(wěn)定性較差；TiO2、SnO2等金屬氧化物實(shí)際使用最為廣泛。

3. 空穴傳輸層

• 功能：將空穴高效地向電極傳輸，同時(shí)阻擋電子向外側(cè)電極移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)載流子的分離。

• 材料：有機(jī)小分子spiro-OMeTAD由于與鈣鈦礦層良好的能級(jí)匹配性而運(yùn)用廣泛。

4. 電極層

• 功能：在兩側(cè)分別提取電子和空穴，與外部電路相連。面向光照方向一側(cè)為底電極，另一側(cè)為頂電極或背電極。

• 材料：底電極需要具備透光性，一般采用ITO、FTO等TCO玻璃；頂電極實(shí)驗(yàn)室常采用導(dǎo)電性良好的金屬Au，但價(jià)格昂貴，使用TCO則有利于制作雙面發(fā)電結(jié)構(gòu)；碳材料因低廉價(jià)格和良好的性能，也成為一種良好選擇。

三、電池結(jié)構(gòu)分類

鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)可分為平面正式、平面反式和介孔結(jié)構(gòu)三類。

1. 介孔結(jié)構(gòu)：是鈣鈦礦電池發(fā)展初期最常見結(jié)構(gòu)，按照接受光照方向各層順序依次為“底電極/電子傳輸層/鈣鈦礦層/空穴傳輸層/頂電極”。

2. 平面正式結(jié)構(gòu)：各功能層順序與介孔結(jié)構(gòu)一致，可表示為“n-i-p”，優(yōu)勢(shì)是可以達(dá)到很高的實(shí)驗(yàn)室效率。

3. 平面反式結(jié)構(gòu)：兩個(gè)傳輸層順序?qū)Q，表示為“p-i-n”，其特點(diǎn)是可以在低溫條件下完成整個(gè)制備流程，且材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強(qiáng)，是當(dāng)前產(chǎn)業(yè)化研究的重點(diǎn)。

綜上所述，鈣鈦礦電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精巧且功能明確，各層之間協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn)高效的光電轉(zhuǎn)換。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和材料的持續(xù)創(chuàng)新，鈣鈦礦電池有望在未來能源領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。