第1篇　有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池

第1章　有机-无机杂化钙钛矿光伏材料结构与性能

1839年，Gustav Rose在俄罗斯乌拉尔山脉首次发现了CaTiO₃这种矿物，之后以俄罗斯地质学家Perovski的名字命名^[1]。狭义的钙钛矿特指CaTiO₃，广义的钙钛矿是指具有钙钛矿结构的ABX₃型化合物，其中A为Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Pb²⁺、Ba²⁺等半径大的阳离子，B为Ti⁴⁺、Nb⁵⁺、Mn⁶⁺、Fe³⁺、Ta⁵⁺、Zr⁴⁺等半径小的阳离子，X为O^2-、F^-、Cl^-、Br^-、I^-等阴离子。这些半径大小不同的离子共同构筑一个稳定的晶体结构。

ABX₃晶体结构如图1-1所示，BX₆构成正八面体，BX₆之间通过共用顶点X连接，构成三维骨架。A嵌入八面体间隙中使晶体结构得以稳定。本文主要介绍的是具有光敏性质的钙钛矿材料。1956年，人们在BaTiO₃这种材料中发现了光伏效应^[3]，但直到1980年KPbI₃等无机钙钛矿才被作为光伏材料首次报道，其带隙为1.4～2.2eV。1987年，Weber^[4]首次将甲胺（H₃CNH₂，缩写MA）引入钙钛矿晶体结构中，形成了有机-无机杂化钙钛矿。目前典型的光伏钙钛矿结构中，A一般为Cs⁺、（MA）、NH ₂CH==（FA）等；B为Pb²⁺、Sn²⁺、Ti⁴⁺、Bi³⁺等；X为Cl^-、Br^-、I^-、O^2-等。A还可以为有机离子和无机离子的混合体，也可是单纯的有机或者无机离子，相应地形成有机-无机杂化钙钛矿或者纯无机钙钛矿材料。

图1-1　ABX₃晶体结构^[2]

A为Cs⁺、CH₃NH₃⁺、NH₂CH＝＝NH₂⁺等；B为Pb²⁺、Sn²⁺、Ti⁴⁺、Bi³⁺等；X为Cl^-、Br^-、I^-、O^2-等