钙钛矿太阳能电池被科技部点名——支持！

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日前，科技部发布了《国家重点研发计划“可再生能源与氢能技术”等重点专项2019年度项目申报指南的通知》，按照国家重点研发计划组织管理的相关要求，将“可再生能源与氢能技术”等重点专项2019年度项目申报指南予以公布。

据悉，科技部此次将调拨4.38亿元经费，以支持相关技术的发展。作为发展最为成熟、潜力最大的可再生能源技术之一，新型太阳电池成为了本次重点专项扶持的主要技术方向。科技部在《申报指南》中提到，新型太阳电池关键技术研发瞄准国际最前沿，支持全新概念的创新研究，通过新概念技术研究带动创新，引导太阳电池技术向国际并跑、领跑跨越方向发展，拟支持项目数为3项。其中着重提到要支持高效稳定大面积钙钛矿太阳电池关键技术及成套技术研发。那么钙钛矿太阳电池究竟是个什么样的技术，能够被科技部点名支持？让我们了一探究竟！

钙钛矿太阳能电池结构及原理

科学家们在最新研究中发现，一种钙钛矿结构的有机太阳能电池的转化效率或可高达22.1%，为目前市场上太阳能电池转化效率的2倍，能大幅降低太阳能电池的使用成本。

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。迄今为止，大多数的太阳能电池都是由硅制成，因为这种材料非常善于吸收光线。可是，硅面板的制造成本却很昂贵。

科学家们一直都在研究由钙钛矿组成的结构，使之成为硅的替代品。真正的钙钛矿，是一种存在于地球中的矿物，它由钙、钛、氧分子经过特殊排列而成。具有相同晶体结构的材料称为钙钛矿结构。

钙钛矿结构非常适合作为太阳能电池吸收光线的活性层，因为它们吸收光线的效率比硅更高，且成本更低廉。将钙钛矿结构集成到太阳能电池中，需要采用的设备也相对简单。例如，它们可以溶解到溶剂中，直接喷涂到基底上面。

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。

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（如图）。

两种典型的钙钛矿太阳能电池的结构示意图

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。

钙钛矿太阳能电池优缺点

钙钛矿电池的优势：

钙钛矿电池转换效率发展速度快——6年时间从3.8%升到20.3%，而2013年11月美国科学家在最新研究中发现，新式钙钛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，这说明了它还有很大的发展潜力;

电池制作工艺简单：实验室中常采用液相沉积、气相沉积工艺、液相/气相混合沉积工艺;

电池发电成本低：甚至有可能会比火力发电还低;

建筑一体化潜力：钙钛矿型电池属于薄膜电池，目前主要就是沉积在玻璃上，还可以通过控制各层材料的厚度和材质来实现不同程度的透明度，当然效率也会降低，不过这类应用是值得尝试的。例如牛津大学的实验室已经可以做出半透光（灰褐色）的电池。如果将采光与发电融为一体的太阳能电池开发顺利，有望成为高楼大厦幕墙装饰、车辆有色玻璃贴膜等的替代品。

二钙钛矿电池的劣势：

材料有毒：钙钛矿电池材料含有铅，不过铅跟其他类型电池含有的砷、镓、碲、镉相比，简直就是小巫见大巫。而美国西北大学也已研发出一种用锡代替铅的钙钛矿太阳能电池，不过这种电池的转换效率还只有6%，而且材料非常不稳定，目前处于研发初级阶段;

材料不稳定：钙钛矿中的铅容易氧化使碘挥发，且当晶体遇湿时则易分解。如果我们使用钙钛矿电池发电，它很有可能分解渗出流到屋顶或土壤中;

电池寿命不长：目前，寿命最长的钙钛矿太阳能电池可达到1000小时，由华中科技大学和洛桑联邦理工学院合作研发。而传统晶硅电池寿命一般可达到25年，比钙钛矿电池长得多。

钙钛矿太阳能电池前景

近年来钙钛矿 （perovskite）太阳电池因其创纪录的高效能、低廉的制造成本而备受瞩目。最近，美国科学家研发出制造毫米级钙钛矿晶体的溶液制程技术，制造出之成品较先前的奈米级、次微米级晶体材料大上几个数量级。粒径越大代表缺陷较少，而钙钛矿的特性可媲美其他无机太阳电池材料，成本却低廉许多。从2009 年到 2014 年的短短 5 年间，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从 3.8% 一下子跃升至 19.3%，提高了 5 倍。其效率进步之快，成本之便宜，生产之容易，以至于被《SciencesJournals》评为 2013 年的 10 大科学突破之一。

洛斯阿拉莫斯 （Los Alamos）国家实验室的研究员 Aditya Mohite 表示，在短短两年之中，钙钛矿太阳电池的效能已经达到20%，相形之下，其他奈米材料花了二十年才达到 9% 的效能。Mohite 也认为，其团队所研发出提升钙钛矿晶体质量的方法，也可望应用来提升晶体质量，以获得更佳的光电特性。纳米材料科技虽然能得到好的光学质量，但因具有多重接口会造成电子-空穴的复合。若能制造质量更佳的晶体，将能改善此状况。另外，缺陷与晶界产生的陷获态 （trap state） 会限制电荷载子的活动，因此晶体质量可由逆转电压扫描时是否产生迟滞现象 （hysteresis） 得知；而上述方法的到的钙钛矿晶体并无迟滞现象。此外，该团队也测量了开路电压与光强度之间的关系，显示双分子复合过程主导材料的光电行为。

但这毕竟是学术上的研究，在进行商转前我们必须先解决以上钙钛矿电池的难题。影响钙钛矿电池商业应用的主要原因是其电池的稳定性，目前钙钛矿电池仅能在使役条件下工作数月（图1下），而传统的硅电池能够工作超过25年。因此，如何提高钙钛矿电池的稳定性是目前这一领域最为重要的问题，各国科学家竞相在这方面开展工作。

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