钙钛矿：光伏的未来？

萨姆·斯特兰克斯（Sam Stranks）

一种新材料已进入新兴的低成本光伏领域，并威胁将现有的许多竞争淘汰。钙钛矿基太阳能电池的功率转换效率（入射的太阳光有效转换为电能的效率）从2009年的3.8％上升到2014年5月的惊人的19.3％。这种快速的改善是前所未有的，并且钙钛矿太阳能电池的潜力有望很快超过诸如碲化镉（经认证的效率为20.4％），CIGS（20.8％）等成熟的薄膜技术的效率，更切合实际的是占市场主导地位的晶体硅太阳能电池（占25％）的成本只有一小部分。这项突破对于新兴的光伏领域来说是有用的火花，而且这种兴奋是广泛存在的，以至于《科学》杂志的编辑选择了钙钛矿基太阳能电池作为“ 2013年度突破”的亚军，而《自然》杂志则强调了这一点。这些材料摘自2014年的科学成果摘要。

钙钛矿材料本身并不新鲜。钙钛矿以俄罗斯矿物学家列弗·帕洛夫斯基（Lev Perovski）的名字命名，是指任何具有通用钛酸钙（CaTiO3）晶体结构的材料，其通式为ABX3。当用于太阳能电池时，A通常是小的碳基（有机）分子阳离子，B是金属离子（例如铅），X是卤化物（例如碘化物，溴化物或氯化物）。这些“有机金属卤化物”钙钛矿在1990年代进行了广泛的研究，但直到2009年才被太阳能电池所忽视，直到2009年横滨Toin大学的研究人员将这些材料用于液体电解质染料敏化太阳能电池中。然而，液体电解质溶解钙钛矿，使得太阳能电池高度不稳定。2012年，我们位于牛津的研究小组与瑞士洛桑联邦理工大学（EPFL）和韩国成均馆大学的研究人员同时，用稳定的固态版本代替了有问题的液体成分，为取得重大进展铺平了道路在效率上。

有机金属卤化物钙钛矿相对于传统的太阳能电池材料（例如晶体硅）具有几个关键优势，而晶体硅通常需要密集的高温处理。首先，这些钙钛矿可以使用非常简单，低成本的方法进行处理-将包含廉价盐混合物的钙钛矿前体溶液简单地浇铸到太阳能电池的底部电极上，轻轻加热以形成结晶钙钛矿材料，然后夹在顶部电极之间。这允许使用大型喷墨式打印机“打印”这些太阳能电池。我们还可以在诸如塑料或织物之类的柔性基板上进行处理，从而开辟了许多便携式电子应用领域。使用一些技巧，我们可以使太阳能电池半透明到足以在窗玻璃上使用。其次，ABX3晶体结构中的组成元素可以广泛调整以提供一系列所需的光学和电学性质。调节卤化物的成分，例如，可以将太阳能电池的颜色调整为彩虹的任何颜色。这给了他们巨大的优势，使其能够以美观的方式进行制造。这意味着消费者可能更愿意将其放在屋顶上，并且建筑集成的光伏应用变得有吸引力。它们甚至可以作为现有技术（例如硅）之上的附加层进行处理，在这里我们可以利用它们的颜色可调性来收获更多的太阳光谱并改善当前最先进的面板。

尽管应用前景广阔，但在我们看到广泛部署之前，这些材料还需要克服许多挑战。我们需要证明，组装成模块的这些太阳能电池在照明和元件下可以使用数年-硅行业标准目前为20-30年。这些钙钛矿对水分特别敏感，因此需要将它们与大气很好地密封以防止过早降解。目前没有足够的稳定性数据来表明它们将持续多长时间，但是正在进行的实验室测试在密封的设备上经过1000多个小时的模拟日光在模拟阳光下非常令人鼓舞。另一个问题是这些材料中存在痕量的铅。尽管在整个面板的整个生命周期中都可以完全控制铅含量，但这种低毒理学风险仍可能对该技术造成问题，特别是如果政策规定禁止这样做的话。然而，就在上个月，我们的研究小组和西北大学的研究人员都报告了首款无铅（锡基）钙钛矿太阳能电池，尽管其稳定性和效率远低于铅基钙钛矿。这些结果对于该技术特别有希望，并且通过优化以提高稳定性和性能，我们可以看到锡类似物超过了铅基材料。

经过仅仅几年的学术研究，太阳能电池效率得到了前所未有的提高，这些材料的未来无疑是光明的。天空似乎确实是极限–最近的报道表明，这些钙钛矿可以非常有效地发光，并且还开放了发光二极管（LED）和激光器作为潜在的应用。通过进一步利用钙钛矿的非凡性能并提高其稳定性，我们可以看到钙钛矿在电气化的未来世界中扮演着重要角色。

Sam Stranks博士是牛津伍斯特学院的初级研究员，也是牛津科珀斯克里斯蒂学院的物理学讲师。他目前与牛津大学物理系的Henry Snaith教授合作，并将于2014年10月在麻省理工学院开始玛丽居里奖学金。

图片来源：牛津PV