有机金属卤化物钙钛矿结构太阳能电池是一种以全固态钙钛矿结构作为吸光材料的太阳能电池。这种材料制备工艺简单， 成本较低。钙钛矿材料的结构通式为ABX3， 其中A为有机阳离子， B为金属离子， X为卤素基团。该结构中， 金属B原子位于立方晶胞体心处， 卤素X原子位于立方体面心， 有机阳离子A位于立方体顶点位置（图1）。相比于以共棱、共面形式连接的结构， 钙钛矿结构更加稳定， 有利于缺陷的扩散迁移。

图1 钙钛矿ABX3 结构示意图

　　在用于高效太阳能电池的钙钛矿结构中， A位通常为HC（NH2）2+（简称FA+）或者CH3NH3+（简称MA+）等有机阳离子， 其主要作用是在晶格中维持电荷平衡，但A离子的尺寸大小可以改变能隙的大小。当A离子半径增大， 点阵扩张， 导致能隙相应变小， 吸收边发生红移， 从而获得更大的短路电流和16%左右的高电池转换效率。金属离子B通常为Pb离子， Pb具有良好的稳定性， 但由于有毒性， 因此也常被Ge， Sn，Ti替代。 以Sn为例， Sn-X-Sn键角大于Pb， 能隙更窄，ASnX3表现出很高的开路电压和良好的光电特性，电压损失很小。但在同一族元素中， 原子序数越小， 元素稳定性越差。 为了解决稳定性问题， 将Pb与Sn按一定比例结合， 降低Sn带来的不稳定性， 同时又获得较高的转换效率。 卤素基团X通常为碘、溴和氯。 其中带有碘基团的钙钛矿太阳能电池在力学性能上（如弹性、强度等）不如带有溴基团的电池。电子吸收光谱由Cl至I依次拓宽，能隙的红移也逐次增加。 这是由于随着原子量的升高， 元素电负性变弱， 与金属离子B成键中的共价作用增强。 ABX3型的有机-无机卤化物在不同温度下具有不同的结构。

　　钙钛矿太阳能电池的基本构造通常为衬底材料/导电玻璃（镀有氧化物层的基片玻璃）/电子传输层（二氧化钛）/钙钛矿吸收层（空穴传输层）/金属阴极（图2）。

图2 （网络版彩色）两种典型的钙钛矿太阳能电池的结构示意图。

　　（a） 介观结构钙钛矿太阳能电池;

　　（b） 平面异质结结构钙钛矿太阳能电池

　　入射光透过玻璃入射以后， 能量大于禁带宽度的光子被吸收， 产生激子， 随后激子在钙钛矿吸收层分离， 变为空穴和电子并分别注入传输材料中。 其中空穴注入是从钙钛矿材料进入到空穴传输材料中， 电子注入是从钙钛矿材料进入到电子传输材料（通常为二氧化钛薄膜）中。基于此， 钙钛矿有两类结构：介观结构和平面异质结结构。 介观结构钙钛矿太阳能电池是基于染料敏化太阳能电池（DSSCs）发展起来的， 和DSSCs的结构相似： 钙钛矿结构纳米晶附着在介孔结构的氧化物（如TiO2）骨架材料上， 空穴传输材料沉积在其表面， 三者共同作为空穴传输层（图2（a））。在这种结构中， 介孔氧化物（TiO2）既是骨架材料， 也能起到传输电子的作用。 平面异质结结构将钙钛矿结构材料分离出来， 夹在空穴传输材料和电子传输材料中间（图2（b））。激子在夹芯的钙钛矿材料中分离， 这种材料可同时传输空穴和电子。

　　钙钛矿结构材料的晶体学取向也会影响电池效率。 Docampo等研究发现， 当提高溶液的浸泡温度， 或者在CH3NH3I和PbCl2混合后进行后续热处理，得到的电池短路电流更大， 转换效率更高。而这个过程发生的改变就是钙钛矿结构的长轴方向趋向于与基底平行， 形成各向异性。 这种各向异性越明显， 电池性能越好， 因此研究钙钛矿材料的晶体学取向也是获得优异性能的重点方向之一。

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