3.3　有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池极限效率

典型的太阳能电池转换效率极限，即S-Q效率极限（Shockley-Queisser limit）一直是太阳能电池效率的理论瓶颈。假定：①光子能带大于或等于半导体带隙的光子全部被吸收；②每吸收一个光子产生一个电子-空穴对；③光子被吸收后，能量全部转化为电子与空穴之间的能量差；④半导体中的复合均为辐射复合；⑤半导体存在黑体背景辐射，发射的光子通量取决于半导体电压，高的电压意味着高的发射光子通量。

Shockley-Queisser太阳能电池转换效率极限计算公式：

式中，q是电子电荷；V是器件电压；Φ_s和Φ_r分别是入射光和复合的光子流强度；σ是Stefan-Boltamann常数；T_sun是太阳表面温度。

根据公式，带隙为1.55eV的单节钙钛矿太阳能电池的效率上限为31%。

光照下，钙钛矿层首先吸收光子产生电子-空穴对。由于钙钛矿材激子束缚能的差异，这些载流子或者成为自由载流子，或者形成激子。而且，有机-无机杂化钙钛矿材料具有较低的载流子复合概率和较高的载流子迁移率，所以载流子的扩散距离和寿命较长。例如，CH₃NH₃PbI₃的载流子扩散长度至少为100nm，而CH₃NH₃PbI_3-xCl_x的扩散长度甚至大于1μm，导致有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池具有优异的电学性能。未复合的电子和空穴分别被电子传输层和空穴传输层收集，即电子从钙钛矿层传输到电子传输层，最后被导电基底收集；空穴从钙钛矿层传输到空穴传输层，最后被金属电极收集。载流子传输过程中不可避免地会发生损失，如电子传输层的电子与钙钛矿层空穴的可逆复合、电子传输层的电子与空穴传输层的空穴的复合（钙钛矿层不致密的情况）、钙钛矿层的电子与空穴传输层的空穴的复合。最后，通过连接导电基底和金属电极的电路而产生光电流。