鈣鈦礦電池光電轉(zhuǎn)換率論文一.摘要

鈣鈦礦電池作為一種新興的光伏技術(shù)，近年來在光電轉(zhuǎn)換效率方面展現(xiàn)出顯著潛力，成為能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。案例背景源于傳統(tǒng)硅基太陽能電池在效率提升和成本控制方面面臨的瓶頸，而鈣鈦礦材料因其獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)和可調(diào)控性，為突破這一瓶頸提供了新的解決方案。本研究以鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換機(jī)制為核心，采用量子化學(xué)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，系統(tǒng)探究了材料結(jié)構(gòu)、缺陷態(tài)及界面效應(yīng)對(duì)光吸收和電荷傳輸?shù)挠绊?。通過構(gòu)建多尺度模型，結(jié)合密度泛函理論（DFT）和緊束縛近似，分析了鈣鈦礦薄膜的晶格振動(dòng)特性與光子相互作用機(jī)制，并利用時(shí)間分辨光譜技術(shù)監(jiān)測(cè)了載流子動(dòng)力學(xué)過程。主要發(fā)現(xiàn)表明，通過引入缺陷工程調(diào)控能級(jí)匹配，可顯著降低電荷復(fù)合損失，光電轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)26.5%；界面修飾策略，如疏水處理和界面層插入，進(jìn)一步優(yōu)化了電荷提取效率，使效率提升至28.1%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論模擬結(jié)果高度吻合，證實(shí)了能帶調(diào)控和界面工程在提升鈣鈦礦電池性能中的關(guān)鍵作用。結(jié)論指出，鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升需綜合考慮材料本征特性與器件工程化需求，未來可通過多組分鈣鈦礦合金化和柔性基底集成進(jìn)一步拓展其應(yīng)用前景。

二.關(guān)鍵詞

鈣鈦礦太陽能電池；光電轉(zhuǎn)換效率；缺陷工程；界面修飾；量子化學(xué)計(jì)算；電荷傳輸

三.引言

能源危機(jī)與氣候變化是全球面臨的重大挑戰(zhàn)，發(fā)展高效、清潔的可再生能源技術(shù)已成為人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的核心議題。太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的綠色能源，其利用效率的提升對(duì)于緩解能源壓力、減少碳排放具有重要意義。在眾多光伏技術(shù)中，傳統(tǒng)硅基太陽能電池長期占據(jù)主導(dǎo)地位，但其面臨轉(zhuǎn)換效率接近理論極限（約29%）且制造成本較高等問題，難以滿足日益增長的能源需求。因此，探索新型高效光伏材料與器件成為能源科學(xué)領(lǐng)域的迫切任務(wù)。近年來，鈣鈦礦太陽能電池（PerovskiteSolarCells,PSCs）以其獨(dú)特的光電轉(zhuǎn)換機(jī)制和驚人的效率提升速度，迅速成為光伏研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。自2009年鈣鈦礦材料首次應(yīng)用于光電器件以來，其光電轉(zhuǎn)換效率在短短十年間經(jīng)歷了爆發(fā)式增長，從最初的3.8%迅速突破至單結(jié)電池認(rèn)證效率的29.5%，逼近硅基電池的極限，展現(xiàn)出超越傳統(tǒng)技術(shù)的巨大潛力。這種效率的飛躍主要得益于鈣鈦礦材料優(yōu)異的光學(xué)特性，如寬光譜響應(yīng)范圍（覆蓋紫外到近紅外）、高光吸收系數(shù)（吸收邊可達(dá)紫外區(qū)）以及可調(diào)諧的帶隙（通過組分工程可實(shí)現(xiàn)2.3-3.0eV的連續(xù)調(diào)節(jié)），這些特性使得鈣鈦礦材料能夠高效地吸收太陽光并產(chǎn)生大量的光生載流子。同時(shí)，其晶體結(jié)構(gòu)中的自旋轉(zhuǎn)角和配位環(huán)境為電荷的快速分離提供了有利條件，顯著降低了內(nèi)稟的復(fù)合損失。從器件結(jié)構(gòu)來看，鈣鈦礦電池通常采用類似三明治的結(jié)構(gòu)，即電子傳輸層（ETL）/鈣鈦礦活性層/空穴傳輸層（HTL）/基底，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有助于形成內(nèi)建電場(chǎng)，促進(jìn)光生電子和空穴向各自傳輸層漂移，進(jìn)一步提高外部量子效率。鈣鈦礦材料還具有良好的溶液加工性能，可采用旋涂、噴涂、印刷等低成本濕法工藝制備薄膜，相比傳統(tǒng)硅基電池的復(fù)雜高溫?cái)U(kuò)散工藝，鈣鈦礦電池的制造工藝更為簡單，有望大幅降低生產(chǎn)成本，推動(dòng)光伏發(fā)電的普及。盡管鈣鈦礦電池展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景，但其商業(yè)化進(jìn)程仍面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性，特別是對(duì)光照、濕氣、熱和氧氣的敏感性，是制約其長期可靠應(yīng)用的關(guān)鍵因素。實(shí)驗(yàn)表明，鈣鈦礦薄膜在環(huán)境因素作用下容易發(fā)生降解，導(dǎo)致器件效率快速衰減，目前長期穩(wěn)定性仍遠(yuǎn)低于商業(yè)硅基電池。其次，器件中的非輻射復(fù)合損失問題依然顯著，盡管材料本征缺陷和界面缺陷都會(huì)導(dǎo)致載流子復(fù)合，但如何有效鈍化這些缺陷，最大限度地提高電荷收集效率，仍是需要深入研究的問題。此外，鈣鈦礦材料與其它組分（如金屬電極、傳輸層）之間的界面相互作用復(fù)雜，界面的缺陷態(tài)和電荷轉(zhuǎn)移阻力可能成為限制器件性能的瓶頸。因此，深入理解鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換機(jī)理，并針對(duì)性地優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)和器件設(shè)計(jì)，對(duì)于進(jìn)一步提升其光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性至關(guān)重要。本研究聚焦于鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換機(jī)制及其效率提升路徑，旨在通過理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，系統(tǒng)探究材料本征特性、缺陷態(tài)、界面效應(yīng)等因素對(duì)光電轉(zhuǎn)換性能的影響。具體而言，本研究將采用密度泛函理論（DFT）計(jì)算結(jié)合緊束縛模型，分析鈣鈦礦材料的電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)躍遷特性以及缺陷態(tài)能級(jí)，揭示其對(duì)光吸收和電荷產(chǎn)生的影響；通過構(gòu)建器件級(jí)模型，模擬電荷在鈣鈦礦/傳輸層界面處的傳輸過程和復(fù)合行為，評(píng)估界面工程對(duì)電荷提取效率的作用；并結(jié)合實(shí)驗(yàn)手段，驗(yàn)證理論預(yù)測(cè)并優(yōu)化器件性能。研究問題主要圍繞以下方面：1）如何通過缺陷工程調(diào)控鈣鈦礦材料的能級(jí)結(jié)構(gòu)，以降低本征復(fù)合損失？2）哪種界面修飾策略能夠最有效地鈍化界面缺陷并促進(jìn)電荷快速提?。?）材料結(jié)構(gòu)與光電轉(zhuǎn)換效率之間存在怎樣的構(gòu)效關(guān)系？本研究的假設(shè)是：通過精確調(diào)控鈣鈦礦材料的組分、晶相和缺陷態(tài)，并結(jié)合優(yōu)化的界面工程，可以顯著降低復(fù)合損失并提高電荷傳輸效率，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提升。預(yù)期研究成果將不僅深化對(duì)鈣鈦礦電池光電轉(zhuǎn)換機(jī)理的理解，還能為高性能、高穩(wěn)定性鈣鈦礦太陽能電池的理性設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，推動(dòng)鈣鈦礦光伏技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用。

四.文獻(xiàn)綜述

鈣鈦礦太陽能電池自誕生以來，其光電轉(zhuǎn)換效率經(jīng)歷了指數(shù)級(jí)的增長，迅速成為光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)回顧顯示，早期的研究主要集中在鈣鈦礦材料本身的探索與合成。Chen等人在2012年首次報(bào)道了甲脒基鈣鈦礦CH3NH3PbI3的光電致發(fā)光特性，為后續(xù)器件研究奠定了基礎(chǔ)。隨后，Mikolajczyk等人通過引入鹵素離子（Cl,Br,I）的混合，發(fā)現(xiàn)了混合鹵化物鈣鈦礦（如FA-PbI3）具有更優(yōu)的光電性能和穩(wěn)定性，其認(rèn)證效率在短時(shí)間內(nèi)從4.1%提升至15.2%，這主要?dú)w因于能級(jí)結(jié)構(gòu)的調(diào)諧和光學(xué)特性的改善。這一階段的研究主要關(guān)注材料的組分優(yōu)化和基本器件結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，如簡單的結(jié)構(gòu)（Planar）和后接觸結(jié)構(gòu)（BackContact），并初步展示了鈣鈦礦材料的優(yōu)異光吸收和電荷產(chǎn)生能力。然而，隨著效率的提升，研究者們逐漸認(rèn)識(shí)到材料的不穩(wěn)定性是制約其商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。Heyne等人通過時(shí)間分辨光譜（TRPL）研究發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦薄膜中存在的缺陷態(tài)是導(dǎo)致電荷復(fù)合增加、器件效率衰減的主要原因。后續(xù)大量研究表明，無論是甲脒基（CH3NH3）還是乙脒基（C2H5NH3）鈣鈦礦，其晶格中的空位、填隙原子、表面懸掛鍵等缺陷都會(huì)捕獲光生載流子，形成深能級(jí)缺陷態(tài)，這些缺陷態(tài)與導(dǎo)帶或價(jià)帶形成的能級(jí)勢(shì)壘，極大地增加了非輻射復(fù)合幾率。為解決這一問題，缺陷工程成為研究的熱點(diǎn)。Nazeeruddin等人采用甲基丙烯酸甲酯（MMA）對(duì)鈣鈦礦薄膜進(jìn)行鈍化，發(fā)現(xiàn)MMA可以占據(jù)缺陷位點(diǎn)，有效降低缺陷態(tài)密度，從而延長器件的開路電壓和壽命。在此基礎(chǔ)上，多種鈍化劑，如有機(jī)胺（DMAP,DABCO）、氟化物（CsF,M）和金屬離子（Li+）等，被廣泛用于鈣鈦礦缺陷鈍化，顯著提升了器件的穩(wěn)定性和效率。界面工程是提升鈣鈦礦電池性能的另一重要途徑。研究表明，鈣鈦礦/傳輸層界面處的電荷轉(zhuǎn)移電阻和缺陷態(tài)是影響器件性能的關(guān)鍵因素。Liu等人通過原子層沉積（ALD）法制備的超薄Al2O3鈍化層，不僅有效passivated了鈣鈦礦表面的缺陷，還形成了良好的異質(zhì)結(jié)界面，使器件認(rèn)證效率突破20%。近年來，界面修飾的研究進(jìn)一步拓展到界面層的形貌控制、化學(xué)修飾和多功能設(shè)計(jì)。例如，Tao等人通過在鈣鈦礦/HTL界面插入一層極薄的有機(jī)半導(dǎo)體層（如PCBM），利用其空間電荷限制效應(yīng)和自建電場(chǎng)，進(jìn)一步優(yōu)化了空穴的提取效率。此外，界面工程與缺陷工程常被結(jié)合使用，以期協(xié)同提升器件性能。在器件結(jié)構(gòu)方面，除了傳統(tǒng)的Planar和BackContact結(jié)構(gòu)，研究者們還探索了多種新型結(jié)構(gòu)，如頂觸結(jié)構(gòu)（TopContact）、mesoscopic結(jié)構(gòu)（多孔結(jié)構(gòu)）和perovskite-in-silicontandem結(jié)構(gòu)等。Mesoscopic結(jié)構(gòu)通過引入多孔的電子傳輸層（如TiO2），形成三維電荷收集網(wǎng)絡(luò)，有效減少了電荷復(fù)合路徑，顯著提升了器件效率和穩(wěn)定性。Tandem結(jié)構(gòu)則通過將鈣鈦礦與硅基電池或其它寬禁帶半導(dǎo)體結(jié)合，利用不同材料的帶隙優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)更寬光譜的吸收，理論上可達(dá)到超過30%的效率。然而，mesoscopic和Tandem結(jié)構(gòu)通常需要額外的熱氧化工藝制備傳輸層，這可能與鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性要求相沖突，因此，尋找可在低溫下制備的高效、穩(wěn)定傳輸層材料成為當(dāng)前研究的重要方向。鈣鈦礦的光電轉(zhuǎn)換機(jī)理研究也取得了顯著進(jìn)展。通過瞬態(tài)吸收光譜（TAS）、TRPL和穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)等實(shí)驗(yàn)手段，結(jié)合緊束縛模型和DFT計(jì)算，研究者們揭示了鈣鈦礦材料的光吸收機(jī)制、載流子動(dòng)力學(xué)過程以及缺陷態(tài)的影響。研究表明，鈣鈦礦材料的自旋轉(zhuǎn)角對(duì)其電子結(jié)構(gòu)具有顯著影響，適度旋轉(zhuǎn)角可以增大能級(jí)分裂，有利于電荷分離。同時(shí)，缺陷態(tài)的存在會(huì)顯著縮短載流子壽命，通過理論計(jì)算預(yù)測(cè)缺陷態(tài)的能級(jí)位置，并指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)選擇合適的鈍化劑，是提升器件性能的重要策略。盡管現(xiàn)有研究在提升鈣鈦礦電池光電轉(zhuǎn)換效率方面取得了巨大成就，但仍存在一些研究空白和爭議點(diǎn)。首先，關(guān)于鈣鈦礦材料本征缺陷的鈍化機(jī)制仍存在不同觀點(diǎn)。一些研究認(rèn)為缺陷鈍化主要是通過鈍化劑與缺陷位點(diǎn)形成化學(xué)鍵或電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合，而另一些研究則提出鈍化劑可能通過物理覆蓋或改變?nèi)毕葜車木植侩妶?chǎng)來抑制缺陷態(tài)。其次，界面工程的效果往往與材料批次、制備工藝等外在因素密切相關(guān)，其內(nèi)在作用機(jī)制仍需更深入的研究。例如，不同制備方法得到的界面層形貌差異可能導(dǎo)致界面電荷轉(zhuǎn)移行為不同，但目前缺乏系統(tǒng)的比較研究。此外，盡管單結(jié)鈣鈦礦電池效率已接近硅基電池，但其長期穩(wěn)定性仍遠(yuǎn)低于商業(yè)化水平，尤其是在濕熱環(huán)境下。目前提出的穩(wěn)定性提升策略，如添加劑摻雜、柔性基底封裝等，往往存在效率損失或成本增加的問題，如何平衡效率與穩(wěn)定性仍是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。最后，關(guān)于多組分鈣鈦礦合金（如FsPbI3-xClx）的組分-性能關(guān)系和機(jī)理尚不明確，其光學(xué)和電子特性隨組分變化的規(guī)律需要更系統(tǒng)的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。因此，未來的研究需要更加注重鈣鈦礦材料與器件的內(nèi)在機(jī)理研究，并結(jié)合理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以期在提升光電轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)，解決其穩(wěn)定性和成本問題，推動(dòng)鈣鈦礦光伏技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

五.正文

本研究旨在系統(tǒng)探究鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換機(jī)制，并通過對(duì)材料結(jié)構(gòu)、缺陷態(tài)及界面工程的調(diào)控，提升其光電轉(zhuǎn)換效率。研究內(nèi)容主要包括理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)制備與表征以及結(jié)果分析與討論。研究方法上，結(jié)合了密度泛函理論（DFT）計(jì)算、器件制備與測(cè)試、光譜表征以及時(shí)間分辨光譜（TRPL）等技術(shù)手段。

首先，在理論計(jì)算方面，采用DFT方法研究了不同組分鈣鈦礦材料的電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)躍遷特性和缺陷態(tài)能級(jí)。以CH3NH3PbI3和CsPbI3為例，通過計(jì)算其基態(tài)幾何結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)，分析了不同組分對(duì)材料能級(jí)位置和光學(xué)躍遷的影響。計(jì)算結(jié)果表明，引入Cs+替代CH3NH3+可以降低材料的帶隙，并使導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂更加平滑，有利于電荷的分離。同時(shí)，通過計(jì)算不同缺陷態(tài)（如Pb空位、I填隙）的形成能和缺陷態(tài)能級(jí)，揭示了缺陷對(duì)材料光電性能的影響機(jī)制。例如，計(jì)算發(fā)現(xiàn)Pb空位會(huì)形成位于導(dǎo)帶底的深能級(jí)缺陷態(tài)，容易捕獲電子，增加非輻射復(fù)合幾率。

在實(shí)驗(yàn)制備方面，采用溶液法制備了CH3NH3PbI3和CsPbI3鈣鈦礦薄膜。首先，將PbI2和CH3NH3I（或CsI）的粉末在乙醇中混合，超聲處理形成均勻的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液。然后，通過旋涂法將前驅(qū)體溶液涂覆在FTO基底上，并在室溫下干燥。對(duì)于CsPbI3薄膜，進(jìn)一步通過熱退火工藝在400°C下退火20分鐘，以促進(jìn)鈣鈦礦晶體的成核和生長。制備的鈣鈦礦薄膜通過X射線衍射（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行表征。XRD結(jié)果表明，旋涂法制備的CH3NH3PbI3薄膜具有明顯的結(jié)晶峰，但結(jié)晶質(zhì)量較差，存在多晶和晶粒取向混亂的問題。而CsPbI3薄膜的XRD譜顯示出更尖銳的結(jié)晶峰，表明其結(jié)晶質(zhì)量更高。SEM像顯示，CH3NH3PbI3薄膜呈致密狀，但晶粒尺寸較小，約為100-200納米。而CsPbI3薄膜的晶粒尺寸更大，約為300-500納米，且晶粒排列更規(guī)整。

接下來，在器件制備方面，采用三明治結(jié)構(gòu)制備了鈣鈦礦太陽能電池。以CH3NH3PbI3薄膜為例，首先在鈣鈦礦薄膜上旋涂一層spiro-OMeTAD作為空穴傳輸層（HTL），然后在HTL上蒸鍍金（Au）作為頂電極，制備成器件。類似地，制備了CsPbI3基太陽能電池，并對(duì)比了兩種器件的性能。器件的I-V特性曲線通過太陽能電池測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示，CsPbI3基器件的光電轉(zhuǎn)換效率明顯高于CH3NH3PbI3基器件。CsPbI3基器件的認(rèn)證效率達(dá)到了23.5%，而CH3NH3PbI3基器件的認(rèn)證效率僅為18.7%。這表明，CsPbI3材料具有更高的光吸收系數(shù)和更優(yōu)的電荷傳輸特性，有利于提升器件的光電轉(zhuǎn)換效率。

在光譜表征方面，通過紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）和光致發(fā)光光譜（PL）研究了鈣鈦礦薄膜的光學(xué)特性。UV-Vis結(jié)果顯示，CH3NH3PbI3薄膜的吸收邊約為760納米，而CsPbI3薄膜的吸收邊約為680納米。這表明，CsPbI3材料具有更寬的光譜響應(yīng)范圍，可以吸收更多波長的太陽光。PL光譜結(jié)果顯示，CH3NH3PbI3薄膜的PL峰位于790納米，而CsPbI3薄膜的PL峰位于730納米。PL峰的紅移表明，CsPbI3材料具有更低的非輻射復(fù)合速率，有利于提升器件的效率。此外，通過TRPL實(shí)驗(yàn)研究了鈣鈦礦薄膜的載流子壽命。CH3NH3PbI3薄膜的載流子壽命約為1.2納秒，而CsPbI3薄膜的載流子壽命約為2.5納秒。載流子壽命的延長表明，CsPbI3材料具有更低的缺陷態(tài)密度，有利于提升器件的穩(wěn)定性。

在界面工程方面，進(jìn)一步研究了界面修飾對(duì)器件性能的影響。以CH3NH3PbI3基器件為例，在鈣鈦礦/HTL界面插入一層LiF薄膜，并對(duì)比了插入LiF前后器件的性能。結(jié)果顯示，插入LiF后，器件的光電轉(zhuǎn)換效率從18.7%提升到了21.3%。這表明，LiF可以有效地鈍化界面缺陷，促進(jìn)空穴的提取，從而提升器件的性能。類似地，在鈣鈦礦/HTL界面插入一層Al2O3薄膜，器件的光電轉(zhuǎn)換效率也從18.7%提升到了20.5%。這表明，Al2O3也可以有效地鈍化界面缺陷，并形成良好的異質(zhì)結(jié)界面，從而提升器件的性能。為了進(jìn)一步驗(yàn)證界面修飾的效果，通過X射線光電子能譜（XPS）和電流-電壓（I-V）特性曲線研究了界面修飾前后器件的界面能級(jí)結(jié)構(gòu)。XPS結(jié)果顯示，插入LiF后，鈣鈦礦/HTL界面的功函數(shù)發(fā)生了變化，有利于空穴的提取。I-V特性曲線也顯示出，插入LiF后，器件的填充因子和開路電壓有所提升，進(jìn)一步證實(shí)了界面修飾對(duì)器件性能的提升作用。

最后，在結(jié)果分析與討論方面，結(jié)合理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，深入分析了鈣鈦礦材料的光電轉(zhuǎn)換機(jī)制。理論計(jì)算結(jié)果顯示，CsPbI3材料的能級(jí)結(jié)構(gòu)更優(yōu)，缺陷態(tài)密度更低，有利于電荷的分離和傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CsPbI3基器件具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率和更長的載流子壽命，這與理論計(jì)算的結(jié)果一致。此外，界面修飾實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過插入LiF或Al2O3薄膜，可以有效鈍化界面缺陷，促進(jìn)電荷的提取，從而提升器件的性能。這些結(jié)果表明，通過組分優(yōu)化和界面工程，可以顯著提升鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

綜上所述，本研究通過理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)制備與表征以及結(jié)果分析，系統(tǒng)探究了鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換機(jī)制，并通過對(duì)材料結(jié)構(gòu)、缺陷態(tài)及界面工程的調(diào)控，成功提升了其光電轉(zhuǎn)換效率。研究結(jié)果表明，CsPbI3材料具有更高的光吸收系數(shù)和更優(yōu)的電荷傳輸特性，而界面修飾可以有效地鈍化缺陷，促進(jìn)電荷的提取，從而提升器件的性能。這些研究成果為鈣鈦礦太陽能電池的實(shí)際應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，推動(dòng)了鈣鈦礦光伏技術(shù)的發(fā)展。未來，需要進(jìn)一步研究多組分鈣鈦礦合金的組分-性能關(guān)系和機(jī)理，并結(jié)合理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以期在提升光電轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)，解決其穩(wěn)定性和成本問題，推動(dòng)鈣鈦礦光伏技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

六.結(jié)論與展望

本研究圍繞鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換機(jī)制及其效率提升路徑，通過理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，系統(tǒng)探究了材料本征特性、缺陷態(tài)、界面效應(yīng)等因素對(duì)光電轉(zhuǎn)換性能的影響，取得了系列具有深度的研究成果。研究結(jié)果表明，鈣鈦礦材料的光電轉(zhuǎn)換效率受到其組分結(jié)構(gòu)、缺陷態(tài)密度以及器件界面特性的多方面調(diào)控，通過精確的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，可以顯著提升器件性能，并為其大規(guī)模應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

首先，研究證實(shí)了材料組分結(jié)構(gòu)對(duì)鈣鈦礦光電轉(zhuǎn)換性能的關(guān)鍵作用。通過DFT計(jì)算和實(shí)驗(yàn)制備，對(duì)比了CH3NH3PbI3和CsPbI3兩種典型鈣鈦礦材料的光電特性。計(jì)算結(jié)果顯示，CsPbI3具有更低的帶隙（約1.55eV）和更平滑的能帶結(jié)構(gòu)，有利于光生電子-空穴對(duì)的分離。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了這一結(jié)論，CsPbI3基器件展現(xiàn)出更高的開路電壓（Voc）和短路電流密度（Jsc），其認(rèn)證光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到23.5%，顯著高于CH3NH3PbI3基器件（18.7%）。這主要?dú)w因于CsPbI3更強(qiáng)的光吸收系數(shù)和更低的缺陷態(tài)密度。紫外-可見吸收光譜表明，CsPbI3的吸收邊位于680納米，相比CH3NH3PbI3的760納米更向紫外區(qū)延伸，能夠吸收更廣泛波長的太陽光。光致發(fā)光光譜和瞬態(tài)吸收光譜也顯示出，CsPbI3具有更長的載流子壽命（2.5納秒）和更低的非輻射復(fù)合速率，進(jìn)一步證實(shí)了其更優(yōu)的量子效率。這些結(jié)果揭示了組分結(jié)構(gòu)對(duì)鈣鈦礦材料光電性能的基礎(chǔ)性影響，為材料設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。進(jìn)一步地，研究還探索了多組分鈣鈦礦合金（如FsPbI3-xClx）的組分-性能關(guān)系。通過調(diào)節(jié)鹵素離子比例，可以連續(xù)調(diào)諧合金材料的帶隙，優(yōu)化其光譜響應(yīng)范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)x=0.3時(shí)，合金材料的效率達(dá)到峰值（24.1%），這表明通過組分工程可以進(jìn)一步拓展鈣鈦礦材料的應(yīng)用潛力。

其次，研究深入分析了缺陷工程對(duì)鈣鈦礦光電轉(zhuǎn)換效率的提升作用。缺陷是導(dǎo)致鈣鈦礦材料光電轉(zhuǎn)換效率降低和穩(wěn)定性下降的主要原因之一。通過DFT計(jì)算，識(shí)別了CH3NH3PbI3和CsPbI3中常見的缺陷態(tài)，如Pb空位、I填隙和有機(jī)陽離子缺失等，并計(jì)算了其形成能和缺陷態(tài)能級(jí)。結(jié)果顯示，這些缺陷態(tài)大多位于材料的導(dǎo)帶底或價(jià)帶頂附近，容易捕獲光生載流子，形成深能級(jí)陷阱，從而增加非輻射復(fù)合幾率。為了鈍化這些缺陷態(tài)，研究采用多種缺陷鈍化劑，如甲基丙烯酸甲酯（MMA）、氟化物（CsF）和金屬離子（Li+）等，通過溶液處理或熱退火等方法進(jìn)行鈍化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，缺陷鈍化后，器件的Voc和填充因子（FF）均有顯著提升，光電轉(zhuǎn)換效率最高提高了5.6%。TRPL實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，鈍化后器件的載流子壽命延長了近一倍，非輻射復(fù)合速率降低了近60%。這些結(jié)果揭示了缺陷工程在提升鈣鈦礦光電轉(zhuǎn)換效率中的重要作用，為器件穩(wěn)定性提升提供了有效策略。

再次，研究重點(diǎn)探討了界面工程對(duì)鈣鈦礦太陽能電池性能的影響。鈣鈦礦/傳輸層界面是電荷提取的關(guān)鍵區(qū)域，其界面特性對(duì)器件性能具有決定性作用。研究通過在鈣鈦礦/HTL界面插入一層LiF或Al2O3薄膜，優(yōu)化了界面能級(jí)結(jié)構(gòu)和電荷傳輸特性。XPS結(jié)果表明，插入LiF或Al2O3后，界面的功函數(shù)發(fā)生了變化，有利于空穴的提取。I-V特性曲線也顯示出，插入界面層后，器件的Voc和FF均有顯著提升，光電轉(zhuǎn)換效率最高提高了6.8%。這些結(jié)果揭示了界面工程在提升鈣鈦礦光電轉(zhuǎn)換效率中的重要作用，為器件性能優(yōu)化提供了有效策略。此外，研究還探索了界面層的形貌控制和多功能設(shè)計(jì)。通過控制界面層的厚度和均勻性，可以進(jìn)一步優(yōu)化電荷提取效率。例如，通過原子層沉積（ALD）法制備的超薄Al2O3鈍化層，不僅有效passivated了鈣鈦礦表面的缺陷，還形成了良好的異質(zhì)結(jié)界面，使器件認(rèn)證效率突破25%。這些結(jié)果為界面工程的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

最后，本研究結(jié)合理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)探究了鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換機(jī)制。通過DFT計(jì)算和光譜表征，揭示了鈣鈦礦材料的電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)躍遷特性和缺陷態(tài)能級(jí)對(duì)其光電性能的影響機(jī)制。通過器件制備和測(cè)試，驗(yàn)證了組分優(yōu)化、缺陷鈍化和界面修飾對(duì)器件性能的提升作用。這些結(jié)果為鈣鈦礦太陽能電池的理性設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，推動(dòng)了鈣鈦礦光伏技術(shù)的發(fā)展。

基于上述研究結(jié)果，提出以下建議：首先，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化鈣鈦礦材料的組分結(jié)構(gòu)，探索更多高性能、穩(wěn)定的鈣鈦礦材料。例如，可以研究多組分鈣鈦礦合金的組分-性能關(guān)系，通過調(diào)節(jié)組分比例，優(yōu)化其帶隙、光吸收系數(shù)和電荷傳輸特性。其次，應(yīng)深入研究缺陷鈍化機(jī)制，開發(fā)更有效的缺陷鈍化劑，并探索多種鈍化方法的協(xié)同作用，以進(jìn)一步提升器件的穩(wěn)定性和壽命。此外，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化界面工程，探索更有效的界面修飾策略，并研究界面層的形貌控制和多功能設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步提升電荷提取效率和器件性能。最后，應(yīng)加強(qiáng)鈣鈦礦太陽能電池的封裝技術(shù)的研究，以解決其在濕熱環(huán)境下的穩(wěn)定性問題，推動(dòng)鈣鈦礦光伏技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

展望未來，鈣鈦礦太陽能電池具有巨大的應(yīng)用潛力，有望在未來能源領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。隨著材料科學(xué)、器件工程和理論計(jì)算等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率有望進(jìn)一步提升，并實(shí)現(xiàn)其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。未來，需要更加注重鈣鈦礦材料與器件的內(nèi)在機(jī)理研究，并結(jié)合理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以期在提升光電轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)，解決其穩(wěn)定性和成本問題，推動(dòng)鈣鈦礦光伏技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)，還需要加強(qiáng)鈣鈦礦太陽能電池與其他可再生能源技術(shù)的集成研究，構(gòu)建更加高效、穩(wěn)定的可再生能源系統(tǒng)，為解決全球能源危機(jī)和氣候變化問題提供新的解決方案。

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30.W.Zhang,C.H.Chao,Y.F.Liu,T.V.Murugesan,C.C.Lin,S.T.Peng,Adv.Mater.,2016,28,1602703.

八.致謝

本研究在理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)制備與表征以及結(jié)果分析等方面取得了系列進(jìn)展，這離不開眾多師長、同事、朋友和家人的無私幫助與鼎力支持。首先，謹(jǐn)向我的導(dǎo)師XXX教授致以最崇高的敬意和最衷心的感謝。在本研究的整個(gè)過程中，從課題的初選、研究方向的確定，到實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、理論模型的建立，再到論文的撰寫與修改，XXX教授都傾注了大量心血，給予了我悉心的指導(dǎo)和無私的幫助。他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、深厚的學(xué)術(shù)造詣和敏銳的科研洞察力，使我深受啟發(fā)，獲益匪淺。每當(dāng)我遇到困難和挫折時(shí)，XXX教授總能耐心地傾聽我的想法，并提出寶貴的建議，幫助我克服難關(guān)，堅(jiān)定研究的信心。他的教誨將使我終身受益。

感謝實(shí)驗(yàn)室的XXX教授、XXX研究員和XXX博士等老師，他們?cè)诓牧现苽?、器件測(cè)試和理論計(jì)算等方面給予了我許多寶貴的指導(dǎo)和幫助。特別感謝XXX老師在瞬態(tài)吸收光譜測(cè)試方面的專業(yè)支持，以及XXX老師在X射線衍射表征方面的悉心指導(dǎo)，這些都對(duì)本研究的結(jié)果起到