第1篇　有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池

第1章　有機-無機雜化鈣鈦礦光伏材料結構與性能

1839年，Gustav Rose在俄羅斯烏拉爾山脈首次發現了CaTiO₃這種礦物，之后以俄羅斯地質學家Perovski的名字命名^[1]。狹義的鈣鈦礦特指CaTiO₃，廣義的鈣鈦礦是指具有鈣鈦礦結構的ABX₃型化合物，其中A為Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Pb²⁺、Ba²⁺等半徑大的陽離子，B為Ti⁴⁺、Nb⁵⁺、Mn⁶⁺、Fe³⁺、Ta⁵⁺、Zr⁴⁺等半徑小的陽離子，X為O^2-、F^-、Cl^-、Br^-、I^-等陰離子。這些半徑大小不同的離子共同構筑一個穩定的晶體結構。

ABX₃晶體結構如圖1-1所示，BX₆構成正八面體，BX₆之間通過共用頂點X連接，構成三維骨架。A嵌入八面體間隙中使晶體結構得以穩定。本文主要介紹的是具有光敏性質的鈣鈦礦材料。1956年，人們在BaTiO₃這種材料中發現了光伏效應^[3]，但直到1980年KPbI₃等無機鈣鈦礦才被作為光伏材料首次報道，其帶隙為1.4～2.2eV。1987年，Weber^[4]首次將甲胺（H₃CNH₂，縮寫MA）引入鈣鈦礦晶體結構中，形成了有機-無機雜化鈣鈦礦。目前典型的光伏鈣鈦礦結構中，A一般為Cs⁺、（MA）、NH ₂CH==（FA）等；B為Pb²⁺、Sn²⁺、Ti⁴⁺、Bi³⁺等；X為Cl^-、Br^-、I^-、O^2-等。A還可以為有機離子和無機離子的混合體，也可是單純的有機或者無機離子，相應地形成有機-無機雜化鈣鈦礦或者純無機鈣鈦礦材料。

圖1-1　ABX₃晶體結構^[2]

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