进击的钙钛矿钙钛矿太阳能电池近期进展.docx

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进击的钙钛矿钙钛矿太阳能电池近期进展

进击的钙钛矿钙钛矿太阳能电池近期进展

摘要1引言　　伴随着世界人口的不断增长和人类工业文明的迅猛发展,煤、石油、天然气等化石能源被大量使用,能源危机与环境污染问题逐渐加剧,人们迫切需要寻找其他新的可替代能源.太阳能是地球上最充裕的可再生清洁能源.地球表面每分钟所吸收的太阳能可以满足人类一年的能源需求[1].因此,制备出高效的光电转换装置,无疑是解决环境污染问题与能源危机的重要方法之一.虽然Si太阳能电池有着成熟的制备工艺及不俗的转换效率,并在过去的几十年里占据了大部分太阳能电池市场[2],但其生产过程本身就伴随着大量环境污染及能源损耗.因此,必须研发出新的低成本高效率且制备工艺简单的太阳能电池.

　　钙钛矿材料拥有优越的电荷传输性质、长载流子扩散距离、全光谱吸收和高吸光系数.这使得这种材料可以有效地吸收太阳光,并高效地产生光生载流子,同时减少在光电转换过程中的能量损失.基于钙钛矿材料（ABX3）的太阳能电池由于其效率的快速提升引起了人们的广泛关注.自2009年以来,其效率从3.8%[3]增加到了20.8%[4].在效率增加的同时,通过掺杂钙钛矿以及优化界面结构,钙钛矿太阳能电池的稳定性也不断提高.不仅如此,电池的应用基板也随着市场的要求不断改变:

除了传统的刚性导电玻璃外,还有柔性基板（导电PET）[5].钙钛矿材料的制备方法简单,有一步旋涂法（OSM）[6]、连续沉积法（SDM）[7]、三步法[8]、双源气相蒸发法（DSVD）[9]和溶液-蒸汽沉积法（VASP）[10].与传统的硅太阳能电池以及以钌等有机金属化合物作为光敏化染料的染料敏化太阳能电池相比,钙钛矿太阳能电池的制备工艺简单且成本更低,更有利于市场商业化应用.

　　在2009年,第一块钙钛矿太阳能电池由日本Kojima等[3]制备,但是由于采用了液态电解液,电解液易挥发,且能与钙钛矿材料发生反应,导致电池的稳定性很低,效率也仅为3.81%.两年以后,Im等[11]通过提高钙钛矿纳米晶粒的尺寸,将钙钛矿太阳能电池效率提高到了6.5%,但是电池稳定性极差,效率在10min之内消减了80%.因此可以采用全固态电解质代替液态电解液,来提高电池的稳定性.在2012年,英国Lee等[12]通过掺杂Cl元素代替部分钙钛矿中的I元素,使电池效率提高到了10.9%.在过去的3年里,钙钛矿太阳能电池的效率以及稳定性不断提高.在2015年,Bi等[4]通过在制备钙钛矿时同时引入FAI,MABr,PbI2,PbBr2制得高协调性的钙钛矿层并将太阳能电池的效率提高到了20.8%.虽然钙钛矿太阳能电池效率得到了快速的发展,但是由于钙钛矿材料对水、氧的敏感性而导致器件的稳定性不高,同时昂贵的空穴传输材料也影响了其商业化.

　　本综述主要介绍了钙钛矿材料的结构及性质、钙钛矿太阳能电池的发展、不同的钙钛矿太阳能电池的结构以及其对电池光电性能的影响、钙钛矿薄膜的制备方法,同时探讨了钙钛矿在电子传输层上的吸附模型、电荷在电池界面中的传输机理以及界面工程,并介绍该类型电池在近期所获得的突破及未来可能的发展方向,以便读者对钙钛矿太阳能电池有进一步的了解.2钙钛矿结构及性质　　2.1钙钛矿结构

　　钙钛矿的晶体结构为ABX3型,首次在无机盐CaTiO3中发现.其晶体结构如图1所示.图中A,B,X分别代表有机阳离子,金属阳离子和卤族阴离子.有机部分与无机部分分别决定了钙钛矿的铁电性质以及半导体性质.一般情况下,有机阳离子部分为FA（（CH（NH）2）2）型、MA（CH3NH3）型以及PHA（C2H5NH3）型,金属阳离子为铅（Pb2）或锡（Sn2）,卤族阴离子可分别取氯（Cl－）、溴（Br－）、碘（I－）.在这种晶体结构中,B离子位于立方晶胞的中心,被12个X离子包围形成立方八面体,A离子位于立方晶胞的顶角,被6个X离子包围形成[AX6]4－[3].

　　2.2钙钛矿材料的性质

　　1）钙钛矿材料拥有优越的电荷传输性质.CH3NH3PbI3型钙钛矿被大量使用在光电装置中.这种材料展示出优越的双极性电荷传输性质[13],且这种性质可以通过改变卤族离子（Cl－,Br－）的掺杂条件[14]、电极界面的优化[15]、晶体的生长条件等[16]进一步增强.

　　2）载流子的扩散距离很长.载流子在CH3NH3PbI3以及CH3NH3PbI3..xClx中的扩散长度分别达到了100nm[17]和1m[18].长的扩散长度可以降低电子与空穴的复合概率,从而提高光电装置的转换效率.

　　3）图2为各种太阳能电池材料的吸收系数曲线图.从图2中可以看出,钙钛矿材料拥有很高的吸收系数,同时有一个合适的能带宽度（约1.5eV）,因此可以有效地吸收太阳光.400nm厚的钙钛矿薄膜可吸收紫外至近红外光谱内的所有光子[19],同时通过掺杂,可以进一步调整能带结构,增加其外量子效率.

3钙钛矿太阳能电池的结构和性能　　3.1钙钛矿太阳能电池的结构

　　由于钙钛矿具有双极性电荷传输的性质,所以钙钛矿太阳能电池的结构也灵活多变.至今为止,主要有下列几种结构的钙钛矿太阳能电池（如图3所示）:

介孔结构（图3（a））、平面结构（图3（b））、介观超结构（图3（c））等[20].一般结构的钙钛矿太阳能电池都含有导电玻璃电极（FTO,ITO）、电子传输层（ETM）、钙钛矿层、空穴传输层（HTM）和金属电极（Au,Pt,Ag）.

　　3.1.1介孔结构

　　世界上第一块介孔钙钛矿敏化太阳能电池由Kojima等[3]在2009年发明.这种装置由一个介孔TiO2光电极/CH3NH3PbI3/液态电解液/对电极构成,并达到了3.8%的转换效率.但是,这种电池的稳定性非常差.随后,随着不断改变电解液的成分以及改进钙钛矿的沉积工艺,介孔TiO2钙钛矿敏化太阳能电池的效率在2011年达到了6.5%[11],而稳定性却没有进一步加强.

　　全固态钙钛矿太阳能电池在2012年首次发表[21],结构如图3（a）所示.在该电池中,钙钛矿CH3NH3PbI3层沉积在0.6m的介孔TiO2薄膜上,同时再沉积一层spiro-OMeTAD作为空穴传输层.该电池在标准AM1.5的光照下显示出了良好的光电性能参数.短路电流密度（Jsc）与开路电压（Voc）分别达到了17mA/cm2和888mV.填充因子（FF）达到了0.62,电池的总效率达到9.7%,接近10%,电池的稳定性也有了进一步的提高,同时在太阳光照下连续工作500h以后效率仅衰减了20%.Heo等[22]进一步改进了空穴传输层,使用低厚度的（约30nm）的聚合物（例如PTAA）作为空穴传输层,代替spiro-OMeTAD,获得了12%的能量转换效率.更进一步,通过在钙钛矿CH3NH3PbI3中掺杂Br,形成CH3NH3PbI3..xBrx,电池的转换效率提高到了12.3%,同时增加了稳定性[23].为了进一步提高介孔钙钛矿太阳能电池的光电性能,研究人员对空穴传输层的原子结构,以及钙钛矿层的掺杂进行了更深入的研究.在2013年,Burschka等[7]利用连续沉积法制备出了转换效率高达15%的CH3NH3PbI3太阳能电池.该设备的短路电流密度（Jsc）、开路电压（Voc）与填充因子（FF）分别达到20mA/cm2,993mV以及0.73.2015年Yang等[24]将溶于二甲基亚砜（DMSO）的PbI2前驱体溶液旋涂到沉积了介孔TiO2的FTO基板上,随后旋涂FAI（（CH（NH）2）2I）溶液,利用分子内交换过程（IEP）制备出了高质量的FAPbI3钙钛矿薄膜.分子内交换过程如下式所示:

　　同时利用聚噻吩乙酸（PTAA）作为空穴传输层,Au作为对电极.最终这种介孔钙钛矿太阳能电池被认证的最高效率为20.1%,实验中最高效率达到20.2%.图4为Yang等制备的电池截面的扫描电镜图.图4中可以看出钙钛矿层的厚度大约为400nm,均匀地沉积在介孔TiO2层上,界面接触良好.图5为用分子内交换过程制备的钙钛矿太阳能电池（曲线A）及传统钙钛矿太阳能电池（曲线B）的J-V曲线图.利用分子内交换过程制备的钙钛矿太阳能电池的短路电流密度及开路电压均大于传统钙钛矿太阳能电池,说明通过分子内交换过程,钙钛矿晶粒变大,薄膜质量明显提高,增加了其对400—780nm之间的可见光的吸收率,使得钙钛矿薄膜可以有效产生光生载流子同时减少载流子的复合,最终提高钙钛矿太阳能电池的效率.　　随后,Bi等[4]通过混合FAI,PbI2,MABr2和PbBr2溶液,利用一步法制备高度协调混合离子的钙钛矿薄膜.同时采用介孔TiO2材料作为钙钛矿太阳电池的电子传输层,Spiro-OMeTAD作为空穴传输层,制备出了高效稳定的钙钛矿太阳能电池.电池截面的扫描电镜图如图6所示.一层厚度约为200nm的混合离子钙钛矿薄膜均匀地沉积在介孔TiO2薄膜上.实验将PbI2与PbBr2溶解于二甲基甲酰胺（DMF）与二甲基亚砜（DMSO）的混合溶液中,PbI2与PbBr2的摩尔比为0.85:

0.15,随后通过改变FAI的量来改变PbI2与FAI之间的摩尔比.实验结果发现稍过量的PbI2有利于减少钙钛矿/TiO2界面之间的缺陷,从而减少载流子在界面的复合.当前驱体溶液中PbI2与FAI之间的比例为1:

05:

1时,钙钛矿太阳能电池的短路电流密度（Jsc）为24.6mA/cm2,开路电压（Voc）为1.16V,填充因子（FF）为0.73,光电转换效率达到了20.8%.电池的J-V曲线如图7所示.

　　最初,介孔结构的钙钛矿太阳能电池的效率通过改变介孔TiO2薄膜的厚度来调整控制.通过对光吸收性能以及载流子扩散长度的研究,300nm左右的钙钛矿层就可以吸收足够多的光,200nm厚度的TiO2介孔层可以消除太阳能电池装置的J-V迟滞现象[25].

　　3.1.2平面结构

　　由于钙钛矿具有载流子长寿命及扩散长度长等特点,钙钛矿太阳能电池即使没有介孔TiO2层也可以工作.平面结构是钙钛矿太阳能电池结构中最简单的,与有机太阳能电池（OPV）的结构相类似（如图3（b））.然而,在这种结构中,如果沉积的钙钛矿层不够连续致密,电池的效率将远不如介孔结构.空穴传输层直接与阻挡层接触,将造成空穴和电子的大量复合,而在介孔结构中,由于钙钛矿材料渗透入介孔中,使空穴传输层和阻挡层的直接接触概率大大减小.因此,必须在透明电极上沉积高质量、高密度、高覆盖率的钙钛矿层,才能使这种结构达到一定的效率并保持稳定.最早通过蒸汽沉积法制备的平面钙钛矿CH3NH3PbI3－xClx结构太阳能电池的转换效率为15%[10].随后,Malinkiewicz等[26]利用CH3NH3PbI3钙钛矿材料作为施主材料,代替OPV中的有机电子半导体,制得的太阳能电池效率约为12%.随着研究的不断深入,平面钙钛矿太阳电池开始通过溶液旋涂法制备,这类方法制备的钙钛矿层密度更高,同时更为方便.Liu和Kelly[15]制备出ITO玻璃/ZnO/CH3NH3PbI3/spiro-OMeTAD/Ag结构的平面太阳能电池,效率达到15.7%.Xiao等[27]通过连续沉积CH3NH3I和PbI2并进行溶剂退火的方法,获得了15.6%的转换效率.Im等[28]通过两步旋涂法,获得了17%的转换效率.Seo等[29]使用旋涂法以及在旋涂过程时滴加甲苯的方法制备出了高密度的钙钛矿CH3NH3PbI3层,并制造出效率约为14%的ITO/PEDOT:

PSS/CH3NH3PbI3/PCBM/LiF/Al结构的太阳能电池.2015年,Zhou等[30]通过控制旋涂法制备掺杂Cl的CH3NH3PbI3..xClx时的湿度,优化钙钛矿薄膜的性能.CH3NH3PbI3-xClx的价带顶和导带底的位置分别在5.3和3.75eV,为了提高电池各层结构之间的能级匹配度,Zhou等通过旋涂法在ITO玻璃基底上旋涂一层聚乙烯亚胺（PEIE）修饰ITO功函数,使其由4.6eV下降到4.0eV,同时利用一种非水解的溶胶凝胶法,通过在溶胶凝胶的前驱液中加入YCl3在150.C条件下退火30min制备钇掺杂的TiO2纳米晶,使其导带的最低位置达到4.0eV.利用这种Y-TiO2作为电池的电子传输层,spiro-OMeTAD作为电池的空穴传输层,Au作为对电极,使太阳电池的各项参数有所提升.电池截面的扫描电镜图如图8所示.平面结构钙钛矿太阳电池的钙钛矿层厚度大约为300nm.图9为在大小为0.1cm2面积下钙钛矿太阳能电池的J-V曲线图.从图中可见太阳能电池的光电性能参数:

电池的短路电流密度（Jsc）为22.75mA/cm2,开路电压（Voc）为1.13V,填充因子（FF）为0.7501,光电转换效率达到了19.3%.

　　除了使用无机的ZnO,TiO2等材料作为电子传输层,Li等[5]使用富勒烯衍生物PCBM作为电子传输层,电池也有14%的效率.

　　3.1.3介观超结构

　　在2012年,由Lee等[12]首次发表了介观超结构钙钛矿太阳能电池,电池结构如图3（c）所示.电池使用CH3NH3PbI3-xClx作为钙钛矿层并获得了10.9%的转换效率.与介孔结构和平面结构不同,介观超结构钙钛矿太阳能电池一般使用绝缘支撑层（例如Al2O3和ZrO2）来代替电子传输层（ZnO和TiO2）,因为钙钛矿具有双极性,本身就可以有效地传输电子和空穴.Ball等[31]将这种结构的电池效率提高到了12.3%.Bi等[32]发现使用介观超结构钙钛矿太阳能电池的开路电压会比介孔结构的大.这主要是由于介观超结构钙钛矿太阳能电池没有采用介孔结构的电子注入模式.Mei等[33]利用喷雾热解法首先沉积一层致密TiO2层,然后利用丝网印刷法沉积一层多孔的1m厚度的TiO2,进行450.C高温退火.之后再次利用丝网印刷法将一层2m厚度的ZrO2沉积在多孔TiO2层上,最后将一层厚度约为10m的碳电极印刷至ZrO2层上,高温热处理.利用这种介孔TiO2与ZrO2结合的双层支撑层来支撑渗透（5-AVA）x（MA）1-xPbI3型钙钛矿进行钙钛矿的沉积（太阳能电池结构如图10所示）,同时由于这种钙钛矿太阳能电池无需昂贵的空穴传输层以及贵金属作为对电极,可以有效降低钙钛矿太阳能电池的成本,这种钙钛矿太阳能电池效率达到了12.8%并具有很好的稳定性.进一步地,Chen等[34]利用BF4-1代替钙钛矿CH3NH3PbI3的部分I..形成CH3NH3PbI3-x（BF4）x,并沿用之前的TiO2与ZrO2的双层支撑层制备出了效率为13.24%的无空穴传输层的钙钛矿太阳能电池.　　此外,Etgar等[35]在介孔结构的基础上将空穴传输层直接舍去,形成CH3NH3PbI3/TiO2的异质结结构,制备出了无空穴传输层的钙钛矿太阳能电池,并获得了5.5%的效率.中国科学院的Shi等[36]在此基础上,使用两步旋涂法制备钙钛矿薄膜层,最终无空穴传输层的太阳能电池获得了10.49%的转换效率.4钙钛矿薄膜的制备工艺　　无论何种结构的钙钛矿太阳能电池,制备一层高覆盖率、高质量、致密的钙钛矿层都是使钙钛矿太阳能电池获得高效率的决定性因素之一.图11是钙钛矿材料的沉积方法原理图.从图中可见钙钛矿材料的沉积方法大概可分为四种,分别为一步旋涂法（OSM）[6]（图11（a））、连续沉积法（SDM）[7]（图11（b））、双源气相蒸发法（DSVD）[9]（图11（c））和溶液-蒸汽沉积法（VASP）[10]（图11（d））.其中一步旋涂法与连续沉积法均为溶液法,双源气相蒸发法与溶液-蒸汽沉积法为蒸汽法.溶液法主要使用旋涂工艺获得钙钛矿薄膜,成本低、工艺简单,但薄膜的质量一般.蒸汽法制备的钙钛矿薄膜质量较高,但是需要在真空条件下,提高了成本.

　　4.1溶液法

　　4.1.1溶液法机理

　　从图11中可以看出,一步旋涂法（图11（a））和连续沉积法（图11（b））都需要一个旋涂的过程.一步旋涂法需要旋涂钙钛矿CH3NH3PbI3层,而连续沉积法需要旋涂金属卤化物层,例如PbI2层.因此,弄清楚旋涂法的原理将给实验带来很大帮助.图12为旋涂法的原理示意图[37].在旋涂过程中,将钙钛矿溶液滴落到基底上就使其散开,然后将基底加快到一定的转速,使多余的钙钛矿溶液甩掉,最后通过热处理将留在基底上的湿钙钛矿薄膜形成晶体.如果将钙钛矿溶液看成是牛顿流体,薄膜的厚度h（m）和旋涂时间t（s）之间的关系如下式所示[38]:

　　最终的钙钛矿薄膜厚度h是由钙钛矿溶液及其固化条件共同决定的.一般来说,结晶过程包括成核和生长两步,而成核由过饱和状态浓度决定.为了获得高覆盖率、致密的钙钛矿薄膜,结晶速率必须比钙钛矿层生长的速率慢[37].为此,研究人员减少了溶液蒸发速率,同时增加了溶剂的溶解度.通过以上步骤,为更好地生长钙钛矿薄膜奠定了基础.

　　4.1.2一步旋涂法

　　一步法由于其简便性,是目前最常用的制备方法.图11（a）为一步法的具体工艺流程图.从图中可得:

以CH3NH3PbI3为例,将PbI2和CH3NH3I以一定的摩尔比（1:

1或者1:

3）混合溶于非极性溶剂中（例如DMF,DMSO等）,然后将溶液搅拌至澄清状态,用旋涂法将之沉积在之前制备的电子传输层上,并通过进一步的热处理,使其形成钙钛矿薄膜.然而,一步法制备的钙钛矿薄膜往往存在大量的孔洞,减少了光吸收,同时增加了载流子的复合,使得最终制备的太阳能电池效率受到限制.另一方面,由于旋涂法制备的钙钛矿薄膜层主要为不定型,难以控制其成分.通过在前驱体溶液中引入其他离子,可以获得更为光滑的钙钛矿薄膜表面及均一度更高的钙钛矿晶体.通过引入CH3NH3Cl以及NH4Cl,电池的效率分别达到了12%[39]和9.93%[40].通过进一步优化溶剂,Xiao等[41]通过加入氯苯使钙钛矿晶体加快结晶速率,在TiO2基底上制备出了效率为13.9%的电池.在改进一步法的工艺中,Sun[42]提到Gr.tzel课题组用4-ABPACl修饰钙钛矿可以进一步提高钙钛矿材料的稳定性.目前采用一步法,Zhou等[30]达到的最佳效率为19.3%.

　　4.1.3连续沉积法

　　连续沉积法首次由Burschka等[7]应用于制备钙钛矿太阳能电池中.其工艺流程如图11（b）所示.从图中可见,研究者先将PbI2粉末在70.C下溶解于DMF中,然后加热搅拌旋涂到介孔TiO2基底上,干燥后将基底浸入含有CH3NH3I的异丙醇溶液中,进一步通过热处理获得钙钛矿薄膜.与一步法相比,二步法可以更好地控制钙钛矿薄膜的形貌.

　　4.1.4三步沉积法

　　在连续沉积法的基础上,Zhao和Zhu[8]将溶解了等摩尔比PbI2以及MACl的DMF溶液旋涂到TiO2介孔层上,然后对旋涂了前驱液的TiO2进行130.C退火处理,使钙钛矿薄膜分解转变为黄色的PbI2,冷却至室温后浸入10mg/mL的MAI的异丙醇溶液中,浸渍一段时间后取出,用异丙醇冲洗,在N2气流中吹干,70.C下热处理,最终获得高质量的CH3NH3PbI3薄膜.

　　4.2蒸汽法

　　4.2.1双源气相蒸发法

　　通过蒸汽沉积法制备钙钛矿薄膜由Salau和Sol[43]以及Mitzi等[44]提出.除了被广泛使用的溶液-蒸汽沉积法,Liu等[9]在2013年使用了双源气相蒸发法,通过将CH3NH3I和PbI2分别加热到120.C和325.C,然后在高度针孔的条件下同时将两种物质沉积到TiO2/FTO基底上（如图11（c）所示）.这种方法制得的钙钛矿薄膜与溶液法制得的相比具有更高的均一性,表面更加光滑,同时覆盖率也非常高,达到了15.4%的效率.Roldn-Carmona等[45]使用同样的方法,制备出了倒置结构的钙钛矿太阳能电池并获得了12%的效率.蒸汽沉积法为钙钛矿薄膜性能高重现性、大尺寸生产提供了途径.然而,这种方法需要在真空条件下实施,提高了制备成本,阻碍其进一步市场化发展.

　　4.2.2溶液-蒸汽沉积法

　　为了解决双源气相蒸发法中所提到的问题,Chen等[10]报道了一种在低温下沉积钙钛矿层的方法,称为溶液-蒸汽沉积法,这种方法将蒸汽法和连续沉积法结合.其工艺流程如图11（d）所示.从图中可见,研究者首先将含有PbI2的DMF溶液旋涂到TiO2/FTO基底上,然后在150.C的CH3NH3I蒸汽中（N2氛围）热处理2h获得钙钛矿薄膜.使用这种方法制得的钙钛矿薄膜覆盖率达到100%,表面均匀、具有较大的晶粒尺寸,同时解决了双源气相蒸发法高温、真空等高要求制备条件的限制.最终制得的钙钛矿太阳能电池的效率达到12.1%.5钙钛矿太阳能电池工作机理与界面工程　　在钙钛矿太阳能电池中,电荷的产生层、收集层、传输层被放置在一起,出现了多个界面.因此,除了太阳能电池中这些层本身的质量,界面也是影响钙钛矿太阳能电池效率的重要因素[46].光生载流子需要通过这些界面才可以被电极收集.由于界面存在缺陷等原因,载流子的复合也往往发生在这些界面上.因此,在优化制备工艺流程,增加钙钛矿晶体薄膜的均一性和覆盖率,提高钙钛矿晶体薄膜质量的同时,必须通过阐明钙钛矿太阳能电池工作机理,提高能级匹配,优化界面等手段,才能使太阳能电池的的效率进一步提高[47].

　　5.1钙钛矿太阳能电池工作机理

　　图13是钙钛矿太阳能电池的结构及界面示意图,图中的箭头代表电荷运动方向.从图中可见钙钛矿太阳能电池中界面的电荷转移过程（图中e代表电子,h代表空穴）.当太阳光子被钙钛矿吸光层吸收后,在钙钛矿层中产生光生载流子.通过钙钛矿材料与相邻两种材料之间的能级匹配,使得这些电子-空穴分离并被电荷传输层有效收集,空穴从钙钛矿层出发,通过空穴传输层最后被金属电极收集,而电子恰恰相反,从钙钛矿层出发通过电子传输层最终被导电玻璃电极收集,将钙钛矿太阳能电池接入外电路后可以构成回路,从而形成电流.

　　5.2电池界面处的原子结构和电子结构

　　CH3NH3PbI3/TiO2异质结中存在一阶导数斯塔克效应,说明在CH3NH3PbI3/TiO2界面处存在一个静态的偶极矩.因此,通过基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算,Shi等[48]提出了CH3NH3PbI3/TiO2界面可能的原子结构,如图14所示.图14（a）所示CH3NH3PbI3/TiO2界面的原子结构是碘原子和钛原子相结合.锐钛矿相TiO2主要暴露的晶面是（101）面,氧原子位于（101）面的上方,在（101）面下方与氧原子配位的钛原子仅暴露了一点.对于钙钛矿CH3NH3PbI3晶体,碘原子被认为是暴露在（101）面上.在此基础上,Roiati等[49]通过模拟计算发现在界面处80%的原子间作用为碘原子和钛原子之间的相互作用,因此碘原子和钛原子可能主导了CH3NH3PbI3/TiO2界面处的原子结构.在这种情况下,电荷将发生位移,同时导致一个较强的界面极化以及静态的偶极矩.同时研究发现界面处氯原子的存在可能进一步增强界面间的相互作用,改善钙钛矿与TiO2之间的结合力.图14（b）则说明CH3NH3PbI3/TiO2界面处的原子结构可能还存在另一种情况:

即铅原子与氧原子相结合.Geng等[50]则认为铅原子对钙钛矿材料的结构稳定性与电子性能有至关重要的作用,铅原子与氧原子之间的电荷传输使得Pb-p和Ti-d带边对齐,更利于电荷的分配.除此之外,Yella等[51]发现金红石型TiO2（001）晶面由于其特殊的结构与原子排布,更适合与CH3NH3PbI3材料匹配,因此在这个界面的电荷收集能力高,所制得的钙钛矿太阳能电池的开路电压也更大.由于界面处系统的复杂性,至今还不能确定钙钛矿太阳能电池中CH3NH3PbI3/TiO2界面处的原子结构,界面原子也可能存在更为复杂的复合型结构.同时,由于存在大量晶格失配与化学反应,与TiO2相比,ZnO与CH3NH3PbI3界面原子之间结合力更低[52].CH3NH3PbI3/HTM之间的原子结构同样也会影响太阳能电池的性能[5