3.3　有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池極限效率

典型的太陽能電池轉換效率極限，即S-Q效率極限（Shockley-Queisser limit）一直是太陽能電池效率的理論瓶頸。假定：①光子能帶大于或等于半導體帶隙的光子全部被吸收；②每吸收一個光子產生一個電子-空穴對；③光子被吸收后，能量全部轉化為電子與空穴之間的能量差；④半導體中的復合均為輻射復合；⑤半導體存在黑體背景輻射，發射的光子通量取決于半導體電壓，高的電壓意味著高的發射光子通量。

Shockley-Queisser太陽能電池轉換效率極限計算公式：

式中，q是電子電荷；V是器件電壓；Φ_s和Φ_r分別是入射光和復合的光子流強度；σ是Stefan-Boltamann常數；T_sun是太陽表面溫度。

根據公式，帶隙為1.55eV的單節鈣鈦礦太陽能電池的效率上限為31%。

光照下，鈣鈦礦層首先吸收光子產生電子-空穴對。由于鈣鈦礦材激子束縛能的差異，這些載流子或者成為自由載流子，或者形成激子。而且，有機-無機雜化鈣鈦礦材料具有較低的載流子復合概率和較高的載流子遷移率，所以載流子的擴散距離和壽命較長。例如，CH₃NH₃PbI₃的載流子擴散長度至少為100nm，而CH₃NH₃PbI_3-xCl_x的擴散長度甚至大于1μm，導致有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池具有優異的電學性能。未復合的電子和空穴分別被電子傳輸層和空穴傳輸層收集，即電子從鈣鈦礦層傳輸到電子傳輸層，最后被導電基底收集；空穴從鈣鈦礦層傳輸到空穴傳輸層，最后被金屬電極收集。載流子傳輸過程中不可避免地會發生損失，如電子傳輸層的電子與鈣鈦礦層空穴的可逆復合、電子傳輸層的電子與空穴傳輸層的空穴的復合（鈣鈦礦層不致密的情況）、鈣鈦礦層的電子與空穴傳輸層的空穴的復合。最后，通過連接導電基底和金屬電極的電路而產生光電流。