随着科学技术的不断进步,人们对资源的需求量不断增加。太阳能具有环保、无污染等优点，是最有研究和开发潜力的能源之一。
太阳能电池的发展到目前为止经历了三代。
（1）第一代光伏电池以硅基太阳能电池为代表，包含单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。
这类电池发展较成熟，已在商业和民用领域得到广泛应用，占据全球光伏市场的90%。
这类太阳能电池的效率高达26.7%，但因制作工艺复杂，制作过程涉及严重的环境污染问题及转化率提升瓶颈等，逐渐退出历史舞台。
（2）第二代光伏电池为多元化合物薄膜太阳能电池，拥有制作成本低、光电转换效率较高、易于大规模生产等优点。
但制作原料中含有剧毒金属，会对环境造成严重破坏，因而无法成为硅基太阳能电池的理想替代品。
（3）第三代太阳能电池包含染料敏化太阳能电池（DSSCs）和钙钛矿太阳能电池，这类电池具有原料丰富、成本低等优点，有极大的发展空间。
其中，钙钛矿太阳能电池作为一类新型光伏电池，其极限光电转化效率理论计算值可达30.5%。
自从2009年首次研制，其光电转化效率由3.8%迅速提高到28%，已逐步向硅基太阳能电池的最高效率靠拢。
硅基太阳能电池可正常工作25年，而钙钛矿太阳能电池处于光、水、热等不同自然环境时，性能及稳定性受到严重影响，无法达到商业使用标准。因此，迫切需要研究有效的策略来解决上述问题。
钙钛矿最初是一种化学组成为钛酸钙（CaTiO3）的矿物的名称。近年来，钙钛矿材料成为光电领域的一大热点，在材料科学、地球科学、物理学等众多领域都可以见到它的身影，已经用于探测器、发光二极管、太阳能电池等。
钙钛矿材料的吸收带与太阳光谱匹配度较高，可以作为光伏材料。钙钛矿的一般化学结构为ABX3，如图1所示。
其中，A为大半径阳离子，一般指NH=CHNH3+（FA）、CH3NH3+（MA）等有机胺离子和Cs+、Rb+等无机阳离子；B为小半径阳离子，一般指Pb2+和Sn2+；X为卤素离子，A和B阳离子分别与X阴离子进行十二配位、六配位，从而形成立方八面体[AX12]和八面体[BX6]，最终构成较为规范的立方体晶体结构。
正是这种ABX3结构，决定了钙钛矿拥有较好的异构化性、电催化性、吸光性等性质，从而成为一种新型的太阳能电池材料。
钙钛矿太阳能电池由透明导电玻璃电极层、电子传输层、钙钛矿吸光层层、空穴传输层和对电极五部分构成，如图2所示。
（1）在太阳光照射下吸收能量，大于吸光层禁带宽度能量的光子被吸光层吸收，价带电子受激发至导带中，于价带中留下空穴。
（2）当吸光层导带能级高于电子传输层的导带能级时，吸光层中导带电子注入电子传输层的导带中；当吸光层的价带能级低于空穴传输层的价带能级时，电子运输至阳极和外电路，吸光层中的空穴注入空穴传输层。
（3）空穴运输到阴极和外电路，从而构成完整回路，如图3所示。
钙钛矿薄膜是钙钛矿太阳能电池的核心部分，其稳定性直接影响其商业化进程，这也为钙钛矿太阳能电池的未来研究指明了方向—需要致力于提高钙钛矿薄膜的稳定性。
钙钛矿材料在外界温度或压力改变后可能发生一定的畸变，某些畸变后的异型结构并不稳定且不具备吸光能力。常用容忍因子t判断钙钛矿的稳定性，其计算式如下：
式中：RA、RB和RX分别为钙钛矿结构通式中A、B和X三种离子的半径。研究表明，当t值介于0.9～1.0时，可形成结构稳定的钙钛矿，且t值越接近1越稳定；若t值偏离理论标准值，则无法形成钙钛矿结构，将变成四方向或正交结构。
根据容忍因子理论，可以寻找或合成更加稳定的钙钛矿材料，应用于钙钛矿太阳能电池。
影响钙钛矿太阳能电池稳定性的内因是钙钛矿材料的自身稳定性，而导致其不稳定的主要因素为外界条件，如温度、湿度、光照等，以下将对影响钙钛矿太阳能电池稳定性的外界因素进行深度剖析。
空气中以气态形式存在的水分会对钙钛矿产生双重影响，因为甲胺成分的吸湿性，空气湿度达到一定条件时，会减少缺陷度密度，正向促进结晶质量及生长，增强薄膜的荧光寿命及强度，从而提高开路电压和光伏性能。
若在一定湿度的空气中长期暴露，钙钛矿太阳能电池的稳定性会被破坏。当处于水分和氧气的双重条件下时，钙钛矿薄膜会逐步分解，具体分解过程如下：
首先，发生水解反应生成CH3NH3I和黄色的PbI2；CH3NH3I会继续进行可逆反应，进而分解为CH3NH2和HI；HI既发生氧化还原反应，又可以发生分解反应。
针对水分和氧气的影响，可考虑改进封装技术，减少钙钛矿薄膜与水分和氧气的接触。
温度是影响钙钛矿材料稳定性的重要因素。相关研究表明，温度升高会使钙钛矿材料分解。
根据飞行时间-二次离子质谱结果，在高温条件下，钙钛矿薄膜中的碘离子和甲胺离子通过电子传输层（PCBM）扩散至银电极表面并富集。
电极界面内碘化银的形成，为进一步的碘离子扩散提供了驱动力，导致钙钛矿层的分解加剧。
离子脱离的过程主要发生在钙钛矿晶界，在晶粒内部的离子迁移作用下，薄膜中晶界重构并伴随“熔融”现象。大量的离子缺失导致晶界处形成很厚的碘化铅间隙，从而阻碍载流子的扩散与传递。
除此之外，当处于高温条件（56℃以上）时，四方晶系MAPbI3会向立方晶系发生转变。由于单晶和多晶状态下的MAPbI3具有较低的热导率，若不能及时移除光照产生的热量，将会影响器件的寿命。
紫外光对钙钛矿材料具有双重作用。紫外光既能影响钙钛矿吸光层材料分解，也能促进钙钛矿材料内部缺陷的修复。
传统的钙钛矿太阳能电池使用ITO、FTO导电玻璃作为电极，电池工作时太阳光照射到光伏板上。
理想情况是紫外光被导电玻璃吸收，但事实并非如此，仍有部分近紫外光照射到达钙钛矿吸光层。
这样一来，会破坏钙钛矿吸光层材料的稳定性，从而缩短钙钛矿太阳能电池寿命。此时可考虑添加稳定性高、安全、环境友好型紫外线吸收剂，从而避免紫外线对钙钛矿电池造成的影响。
钙钛矿电池材料含有少量有毒元素Pb，使用钙钛矿太阳能电池时，铅很有可能渗出。
高毒性铅在生态系统中难以降解，若铅进入土壤或地下水，将对环境产生不可预估的影响。
故寻找铅的优良替代品或利用技术手段减少铅用量刻不容缓，而Sn、Ge和ⅡA族元素等可以作为Pb的优秀替代品。
目前，可通过研发少铅或无铅型钙钛矿薄膜、回收利用有毒金属等方式来实现钙钛矿太阳能电池的环境友好化。
文章对钙钛矿太阳能电池的结构和工作原理、影响因素、研究进展等进行介绍。钙钛矿太阳能电池是当今太阳能电池中的研究热点，展现了良好的发展前景。但是实现环境友好化，延长使用寿命，完善电池性能评价体系，提高太阳能电池的光电转化效率和稳定性，实现大规模的工业化生产仍是未来科研人员需解决的难题，距离真正实现钙钛矿太阳电池商业化生产，还有很长一段路要走。
原文始发于微信公众号（光伏产业通）：钙钛矿太阳能电池研究进展及其影响因素
