鈣鈦礦電池，即鈣鈦礦型太陽能電池（perovskite solar cells），是利用鈣鈦礦型的有機金屬鹵化物半導體作為吸光材料的太陽能電池，屬于第三代太陽能電池。以下是對其結構的詳細分析：

一、基本構造

鈣鈦礦太陽能電池的基本構造為五層“三明治”結構，其中以鈣鈦礦層為中心，上下兩側為兩個傳輸層，最外側為兩個電極層。以單結平面鈣鈦礦電池為例，自下往上依次為：玻璃、透明電極（FTO、ITO或FTO）、電子傳輸層、鈣鈦礦層、空穴傳輸層、金屬電極。

二、各層功能及材料

1. 鈣鈦礦層

• 功能：吸收光照能量，在內部產生激子（載流子對）。

• 材料：為ABX3結構，其中A通常為有機陽離子（如甲胺離子、甲脒離子等）或無機陽離子（如銫離子），B為二價金屬陽離子（如鉛離子、錫離子等），X為鹵素陰離子（如氯、溴、碘）。為了形成基本的穩定結構，A、B、X位離子的有效離子半徑配比需要滿足特定的容忍因子條件。根據A位是否有機離子可分為有機無機雜化鈣鈦礦和全無機鈣鈦礦，前者綜合性能良好運用廣泛、后者熱穩定性好但效率較低。

2. 電子傳輸層

• 功能：將電子高效地向電極傳輸，并阻擋空穴向外側電極移動，實現載流子的分離，防止鈣鈦礦層與電極直接接觸內部短路。

• 材料：石墨烯、PCBM等有機材料具有良好的能級匹配，但穩定性較差；TiO2、SnO2等金屬氧化物實際使用最為廣泛。

3. 空穴傳輸層

• 功能：將空穴高效地向電極傳輸，同時阻擋電子向外側電極移動，實現載流子的分離。

• 材料：有機小分子spiro-OMeTAD由于與鈣鈦礦層良好的能級匹配性而運用廣泛。

4. 電極層

• 功能：在兩側分別提取電子和空穴，與外部電路相連。面向光照方向一側為底電極，另一側為頂電極或背電極。

• 材料：底電極需要具備透光性，一般采用ITO、FTO等TCO玻璃；頂電極實驗室常采用導電性良好的金屬Au，但價格昂貴，使用TCO則有利于制作雙面發電結構；碳材料因低廉價格和良好的性能，也成為一種良好選擇。

三、電池結構分類

鈣鈦礦電池結構可分為平面正式、平面反式和介孔結構三類。

1. 介孔結構：是鈣鈦礦電池發展初期最常見結構，按照接受光照方向各層順序依次為“底電極/電子傳輸層/鈣鈦礦層/空穴傳輸層/頂電極”。

2. 平面正式結構：各功能層順序與介孔結構一致，可表示為“n-i-p”，優勢是可以達到很高的實驗室效率。

3. 平面反式結構：兩個傳輸層順序對換，表示為“p-i-n”，其特點是可以在低溫條件下完成整個制備流程，且材料結構穩定性更強，是當前產業化研究的重點。

綜上所述，鈣鈦礦電池的結構設計精巧且功能明確，各層之間協同工作以實現高效的光電轉換。隨著技術的不斷進步和材料的持續創新，鈣鈦礦電池有望在未來能源領域發揮更加重要的作用。