利用钙钛矿开发太阳能——低成本、高效率使新型太阳能电池成为焦点

译海撷英

利用钙钛矿开发太阳能
——低成本、高效率使新型太阳能电池成为焦点

通常，一项好的研究课题都会引起一系列变革。以碳材料为例，1990年巴克球和碳纳米管被发现后该领域的核心被重新认定，2004年石墨烯被发现并风靡全球，碳材料领域新的变革再次发生。现在，变革正发生在太阳能电池领域。

“看起来我们都已被钙钛矿结构的缺陷咬伤。”领导牛津大学光伏和光电设备研究小组的物理学家Henry J.Snaith在考虑光伏领域当前的流行话题时表示。

光伏器件直接将太阳能转换为电能并不是新闻，被称为太阳能电池的各种类型的能量转换器已经存在了几十年。Snaith指出，钙钛矿太阳能电池在过去的一年半内被强烈关注并研究。在此期间，众多研究人员被钙钛矿结构太阳能电池的高性能且廉价所吸引，纷纷展开研究并很快提高了能效。现在，他们正通过调整化学成分、改进制备方法、提高材料稳定性、弄清楚此类太阳能电池为何能效如此出众等方式来拓宽钙钛矿结构的应用以进一步提高其能效。

“钙钛矿”这一名字的索然无味掩饰了该研究课题的热度。严格说来，钙钛矿是指钙-钛矿石，主要成分为钛酸钙（CaTiO3）。今天，科学家们用钙钛矿指代一大类材料，类似CaTiO3，以ABX3形式进行化学计量并采用钙钛矿晶体结构。光伏领域最常研究的此类结构的物质为CH3NH3PbI3，CH3NH3是ABX3结构中的A。

基于高纯度结晶硅的电池具有一流的光伏性能，其光电转换效率约为25%，但该类电池原材料昂贵、晶体生长技术和气相沉积方法等能耗较高。目前，该类太阳能电池的最高转换效率号称已突破40%，但价格高昂。

得益于低成本的塑料制备方法，基于光敏有机聚合物的有机光伏器件首次亮相就掀起了波澜。尽管价格较低，但该类太阳能电池的效率在21世纪初仅几个百分点，经过缓慢增长，目前达11%左右。

与之相反，钙钛矿型太阳能电池的转换效率几乎一夜之间就从几个百分点跃升到16%以上，大多数进展报道发生在2012年和2013年。这种没有放缓迹象的快节奏性能改进，加上廉价的材料和制备方法，促使Snaith宣称低价高效的钙钛矿型太阳能电池将打破“流行示例”——光电转换效率越高，太阳能电池价格越昂贵。

钙钛矿型太阳能电池可通过普通湿化学方法来成型。圣母大学化学系和放射实验室教授Prashant V.Kamat认为，对于太阳能电池制造商来说，这种通过液相化学反应制备材料、利用喷涂或旋涂将其沉积来制造太阳能电池部件的简便方式将最终取代干净的房间和精密的生产设备。“任何人都可以参与。”Kamat评价道，这一领域的门槛较低，仅需标准的实验室设备。

钙钛矿型太阳能电池火热的另一个原因是它与研究比较成熟的染料敏化太阳能电池（DSSC，由瑞士联邦理工学院的Michael Gratzel发明，又称Gratzel电池）有共同之处，甚至可以作为DSSC的一个分支。而DSSC又与太阳能电池的另一热点——量子点太阳能电池密切相关，这三种类型太阳能电池的关键区别点在于光吸收体，分别为钙钛矿三卤化合物、染料、无机量子点。

2009～2012年间，钙钛矿型太阳能电池的转换效率从3.1%提升至10.9%，2013年实现了质的突破，一个又一个研究成果相继出现在杂志与网站上，每一个成果都描述钙钛矿型太阳能电池的设计及光电转换效率的转折性提高。

韩国化学技术研究所（KRICT）的SangⅡSeok及其同事以聚三苯胺为空穴载体，制备的太阳能电池实现了12%的转换效率。萨斯喀彻温省大学化学家刘殿义（音译）以薄层ZnO部分取代TiO2，所制备的柔性三卤化合物钙钛矿型太阳能电池具备超过10%的转换效率，刚性太阳能电池的转换效率达到15.7%。转换效率最高的钙钛矿型太阳能电池通过了国际公认的太阳能电池性能验证机构——美国国家可再生能源实验室的验证，该电池来自KRICT，转换效率达16.2%。钙钛矿型太阳能电池的前驱体合成、细胞组装、器件定制等都以普通化学方法为介导。几乎一夜之间，钙钛矿型太阳能电池的转换效率由几个百分点提升至16%以上。“很难预知该技术将终结在何处。”Snaith认为。但肯定有“合适的成分”以尽可能低的成本提供出色的转换效率。“只要我们能够提高钙钛矿型太阳能电池制备技术的稳定性，我们都将是低成本太阳能发电的见证者。”Snaith最后表示。

（本栏目编辑：李丽平）