钙钛矿太阳能电池：其实我不含钙，也不含钛
作者：林风（南方科技大学）
近期，中国科学院合肥物质科学研究院应用技术研究所孔凡太研究团队在小分子有机空穴传输材料方面取得系列进展，相关研究结果分别发表在ChemSusChem、ElsevierDyes and Pigments，以及英国皇家化学会的RSC Advances上。
你可能想问，这项读起来很拗口的研究，究竟有什么用呢？
这种材料目前已经被证明在钙钛矿太阳能电池中有非常好的应用潜力。
等等！怎么又来一个拗口的，钙钛矿太阳能电池又是什么？
第三代太阳能电池
我们都知道，太阳能电池是一种可以直接把光能转化成电能的装置。在追求清洁能源的大背景下，它已经形成了相当大的产业规模。
实际上，太阳能电池的发展过程经历了三个阶段：
图1 各类太阳能电池。
（a）单晶硅太阳能电池；（b）薄膜太阳能电池；（c）钙钛矿太阳能电池。
第一代太阳能电池主要是基于单晶硅。
荒原上，沙漠中，大家印象中的太阳能电池板，通常都是用这类晶体硅材料制成的。不过制造高纯硅面临着造价高、耗能高等难题，这严重制约了硅基太阳能电池的商业应用范围。
第二代太阳能电池主要指薄膜太阳能电池。
它以非晶硅、铜铟镓硒薄膜、碲化镉薄膜为代表。这类太阳能电池最大的优点为成本低，缺点则是效率低，性能随使用时间的增长而衰退。
第三代太阳能电池，也称作新概念太阳能电池，就是今天要重点介绍的钙钛矿太阳能电池。
其实，我不含钙，也不含钛
人们在开发新材料时有两大重要考量：一个是成本，一个是效率。
图2 不同类型的太阳能电池的成本与其光电转换效率的关系
从上面这张图中可以看出，如果电池的光电转换效率能提高到20%以上，电池的供电成本就有大幅度下降的可能。
因此，进一步提高转换效率成为第三代太阳能电池发展的关键。
近几年，钙钛矿太阳能电池的研究不断刷新了光电转化效率的纪录，目前已经超过22%了。
虽然现在每年光伏产业产能的90%以上都来自晶硅电池，但是由于钙钛矿太阳能电池的优良特性众多，越来越多的人对它青睐有加，源源不断的人力、物力都投入到了相关研究当中，钙钛矿太阳能电池巨大的魅力也逐渐展现在了人们面前。
有趣的是，钙钛矿太阳能电池中并没有钙元素，也没有钛元素。
其实，它得名于其中的吸光层材料：一种钙钛矿型物质。
钙钛矿是以俄罗斯矿物学家Perovski的名字命名的，最初单指钛酸钙（CaTiO3）这种矿物，后来把结构与之类似的晶体统称为钙钛矿物质。
钙钛矿太阳能电池中常用的光吸收层物质是甲氨铅碘（CH3NH3PbI3），由于CH3NH3PbI3这种材料中既含有无机的成分，又含有有机分子基团，所以人们也将这类太阳能电池称作杂化钙钛矿太阳能电池。
图3 钙钛矿物质的原子结构
(a)钛酸钙（GaTiO3）晶体的原子结构；(b)钙钛矿太阳能中吸光层物质甲氨铅碘（CH3NH3PbI3）晶体的原子结构。
光电转换效率高
想要了解钙钛矿太阳能电池具有高效性能、备受人们青睐的秘密所在，我们就不得不说说它的光吸收与能量转化的原理了。
图4 激子生成示意图
这一奇妙的过程大致如下：
太阳光入射到电池吸收层后随即被吸收，光子的能量将原来束缚在原子核周围的电子激发，使其形成自由电子。
由于物质整体上必须保持电中性，电子被激发后就会同时产生一个额外的带正电的对应物，物理学上将其叫做空穴。这样的一个“电子--空穴对”就是科学家们常说的“激子”。
图5 钙钛矿太阳能电池的构造与运行机理示意图
激子被分离成电子与空穴后，分别流向电池的阴极和阳极。
带负电的自由电子经过电子传输层到玻璃基底，然后经外电路到达金属电极。带正电的空穴扩散到空穴传输层，最终也到达金属电极。在此处，空穴与电子复合，电流形成一个回路，完成电能的运输。
钙钛矿太阳能电池把光吸收过程与电流运输过程分离，一种介质只负责运输一种电荷，避免了硅基、薄膜太阳能电池中载流子复合率高、载流子寿命短的缺点，所以钙钛矿太阳能电池具有高效的光电转换效率。
将钙钛矿作为光吸收材料，不仅可以大大减小所需的材料厚度，同时还能保持较好的光吸收能力。
就光吸收层厚度而言，第一代和第二代太阳能电池分别需要大概300和2微米的厚度；而钙钛矿太阳能电池以不到0.4微米的光吸收层，就能获得超过20%的光电转换效率。而且它的吸光系数很大，吸光能力比传统染料高一个数量级，对紫外到近红外的光子都具有良好的吸收能力。
另外，钙钛矿太阳能电池是一个三元组份的材料，在ABX每个位置上共有三种元素可以选择，所以这种材料有着无限的操控的空间，这种结构也有着无限的可能性。
没有几近完美的材料
虽然钙钛矿太阳能电池有着许许多多的优点，但它也不是完美的，我们也必须面对它的不足之处，这样才有利于我们今后的改进工作。
首先，目前人们还没有解决此类电池的不稳定性问题。
传统晶硅电池寿命一般可达到25年，而2009年第一块钙钛矿太阳能电池的寿命只有3分钟，发展到现在，其寿命也仅为1000小时。
随着钙钛矿太阳能电池效率取得了突破性进展，人们越来越认识到电池的长期稳定性是其是否能大规模民用化应用的决定性因素。
其次，有毒。
现在性能最好的钙钛矿电池材料都含有铅，这是一种对人体和环境有极大危害的元素。
在使用过程中铅可能会渗出，污染水源和土壤。
最后，目前实验室里制造的大部分钙钛矿太阳能电池的尺寸都很微小，最大的也仅几平方厘米，很难生产较大的连续膜，导致制备大面积器件受阻。
图6 历年来钙钛矿太阳能电池光电转换效率的迅猛增长趋势。
虽然，钙钛矿太阳能电池的研发遇到了诸多困难，但是，近几年这一领域的快速发展使其开始初步显示出潜在的商业化前景。
钙钛矿结构材料自2009年首次应用于光伏技术以来，短短六七年时间，在广大科研人员的努力下，它的光电转化效率就已经从3%提高到22%。
美国有的科学家预测，以新型钙钛矿为原料的太阳能电池的转化效率或可高达50%，为目前市场上太阳能电池转化效率的2倍，这将大幅降低太阳能电池的使用成本。也难怪世界顶级学术杂志Science会把钙钛矿太阳能电池评为该年度的十大科技进展之一。
究竟钙钛矿太阳能电池的光电转换效率能否达到理论预估的50%？钙钛矿太阳能电池距离真正的民用还有多远？能否如同硅晶太阳能电池那样得到广泛使用呢？让我们拭目以待吧。
（文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn）
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