随着全球人口的迅速增长和经济的快速发展,能源需求大幅增加。但是,目前能源消耗大多来自于化石燃料,给地球带来了严重的环境污染和温室效应。因此,发展和有效利用太阳能、风能、地热能等可再生清洁能源已迫在眉睫。太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁能源,而太阳能电池又是利用太阳能的有效手段之一。
2013年，一种新型太阳能电池材料——钙钛矿突然成为人们关注的焦点。它具备高效率、低成本、制造工艺简单、光谱吸收范围广等优势，即使在弱光条件下也能保持光电转换率。用这种材料制成的电池被SCIENCE杂志评为2013年十大突破之一。
近年来，随着晶硅太阳能电池发展越来越成熟，钙钛矿太阳能电池（PSC）逐步获得业内重视。国家出台多项政策推动钙钛矿光伏的研发及产业化进程。2021年11月，《“十四五”能源领域科技创新规划》将“研发大面积、高效率、高稳定性、环境友好型的钙钛矿电池，开展晶体硅/钙钛矿、钙钛矿/钙钛矿等高效叠层电池制备及产业化生产技术研究”列入重点任务之一；2022年6月，《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030年)》提出，坚持研发高效稳定钙钛矿电池等技术；2023年1月，《关于推动能源电子产业发展的指导意见》提出，推动钙钛矿及叠层电池等先进技术的研发应用，提升规模化量产能力。
在政策的大力助推之下，叠加钙钛矿电池本身具备的高转换效率和低成本两大核心优势，其未来发展被市场寄予厚望，产业化进程加速。
01
神奇的钙钛矿
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。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。由ABX3结构的化合物组成的材料家族被统称为“钙钛矿”材料。
其中，A位通常代表有机阳离子，B位为金属铅离子Pb2+，而X位为卤素阴离子，这是一种人工设计的材料，具有对光吸收能力强、吸收范围广等优势，由于制备工艺简单和成本低廉，对于科学家而言，钙钛矿电池是目前最有前景的光电技术之一，更是所属太阳能电池中的佼佼者。
基质上的钙钛矿晶体
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钙钛矿太阳能电池的诞生
2009年，日本科学家宫坂力及其同事首次选用有机—无机杂化的钙钛矿材料碘化铅甲胺（CH3NH3PbI3）和溴化铅甲胺（CH3NH3PbBr3）作为新型光敏化剂，取代染料敏化太阳能电池中的染料，制备出全球第一个具有光电转换效率的钙钛矿太阳能电池器件。虽然其光电转换效率仅有3.8%，并只稳定了几分钟，但为钙钛矿太阳能电池的后续发展奠定了不可磨灭的研发基础。
2011年，韩国成均馆大学朴南圭课题组通过技术改进将转化效率提高到6.5%，但因仍采用液态电解质，导致材料不稳定，几分钟后效率边削减了80%。“液态电解质的钙钛矿敏化太阳能电池存在一个致命的缺陷，即液态电解质会溶解或者分解钙钛矿材料，可使电池在几分钟内失效。”为此，科学家不断扩大视野，创新性地将固态电解质作为空穴传输层。
2012年牛津大学Henry Snaith和Mike Lee课题组引入了空穴传输材料Spiro—OMeTA,实现了钙钛矿电池的固态化，转化效率接近10%。同时，该器件显示出极好的稳定性：未封装器件存放500小时后光伏性能未明显衰减。至此，钙钛矿电池成为新的研究热点。
03
钙钛矿太阳能电池的结构
钙钛矿太阳能电池结构就像三明治，一般由透明导电电极、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、金属电极5部分组成。其中位于中间的电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层是钙钛矿电池最基本的三个功能层。按照电子传输层和空穴传输层的位置分布，钙钛矿太阳能电池器件结构可以分为正置结构(n-i-p,电子传输层-钙钛矿层-空穴传输层）和倒置结构（p-i-n，空穴传输层-钙钛矿层、电子传输层）。
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钙钛矿太阳能电池的结构
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。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”。由于钙钛矿材料的激子束缚能很小，如MAPbI3的激子束缚能仅有19±3 meV，在室温下就能分离为自由的载流子，随后生成的自由载流子分别被传输层材料传输出去，再被电极收集，形成电流再到外电路做功，完成整个光电转换的过程。工作过程大致可分为：
1）激子的产生及分离；
2）自由载流子的传输
3）载流子的收集及电流的产生，其中也伴随着载流子复合过程。
为提高这一性能，美国麻省理工学院(MIT)Moungi G. Bawendi教授和韩国化学技术研究所Jangwon Seo课题组的合作文章，报告了一种通过增强电荷载体管理来改善PSC性能的整体方法。首先，通过调节二氧化锡（SnO2）的化学浴沉积来开发具有理想膜覆盖率，厚度和成分的电子传输层；其次，将钝化策略在本体和界面之间解耦，从而改善了性能，同时使带隙损失最小。在正向偏置中，器件显示出高达17.2％的电致发光外部量子效率和高达21.6％的电致发光能量转换效率。作为太阳能电池，可实现25.2％的认证能量转换效率，相当于其带隙热力学极限的80.5％。
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未来展望及现有问题
自2009发明至今，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率飞速增长。截至目前，钙钛矿电池片实验室效率为26.1%，小组件效率接近23%，平米级组件效率已经突破18%。已超过了非晶硅、染料敏化及高分子等薄膜太阳能电池几十年来的研究成果。因此,钙钛矿太阳能电池展示了空前的发展潜力。同时，钙钛矿电池相对于晶硅类电池具有两个优势：一是转换效率高，且效率提升速度更快，三节钙钛矿叠层电池的理论效率可达到50%，与目前主流的25%左右电池技术相比空间较大；二是钙钛矿原材料易得且制造产业链明显缩短，其产业化潜力较大。
然而，集众多优势于一身的钙钛矿材料在实现工程应用路上，仍存在着亟待解决的瓶颈问题，吸引着科学家们不断探索钻研。瓶颈问题有三个方面，
1）还需要开发大面积、高品质钙钛矿薄膜制备技术。对于钙钛矿太阳能电池的大规模生产,传统的制造大面积钙钛矿太阳能电池的方法 (如丝网印刷、槽模涂层)已用来制备超过100平方厘米的电池组件,也取得了较好的效率，具有良好的发展前景。
2）还需要改善器件的稳定性。尽管大面积钙钛矿太阳能电池器件的效率有了很大的提高,但长期稳定性是其产业化应用的一大阻碍。因此,需综合考虑温度、光照、氧气等环境因素和封装技术的影响,进一步提高电池稳定性。
3）还需要进行无铅化研究。钙钛矿材料的合成、电池制备、使用以及回收过程中都存在铅环境污染的问题，钙钛矿太阳能电池的发展开发新型的高效无铅钙钛矿材料，并开发更完善的封装技术以避免铅泄露。期待在不久的将来,经过各国研究者的共同努力,可解决钙钛矿太阳能电池的关键问题,从而使其走向市场。（来源：材料学院科协实践部 钙钛矿学习）