今年4月，《Nano Energy》杂志上刊登了一则关于澳大利亚ARC激子科学中心和莫纳什大学教授杰克·杰森带领的研究团队研制出了半透明的钙钛矿太阳能电池的报道。这报道咋一看似乎平平无奇，但其实它的精华都集中在了“半透明”这三个字上。

“半透明”意味着什么呢？就是这种电池在产生电能的同时，还可以让光通过！如果能将它与玻璃产品结合起来，那窗户就可以被改造成一个自主发电机，为电力、建筑、城市规划等行业都带来革命性的变化。

虽然到目前为止，半透明太阳能电池的商用研究仍在路上，距离我们正式见到它可能还需要一些时间。但在那之前，我们完全可以先来了解一下这种名为“钙钛矿”的材料到底有什么样能耐，可以引起各国研究者的巨大兴趣。

钙钛矿的基本性质

钙钛矿材料是一类有着与钛酸钙（CaTiO₃）相同晶体结构的材料，是Gustav Rose在1839年发现，后来由俄罗斯矿物学家L.A.Perovski命名。钙钛矿材料结构式一般为ABX₃，其中A和B是两种阳离子，X是阴离子，一般为立方体或八面体结构，如下图所示。

钙钛矿晶体结构

这种奇特的晶体结构让它具备了很多独特的理化性质，如高吸收系数，长激子寿命和扩散长度，高双极迁移率和低激子结合能等等，使其在新一代的太阳电池中具有非凡的吸引力，同时在固体燃料电池、固体电解质、传感器、高温加热材料等诸多领域都有不少的应用。

钙钛矿的应用

尽管钙钛矿材料已经被研究了几十年，但最初的兴趣是集中于它们在薄膜晶体管(TFT)和发光二极管(LED)应用上的光电导率或离子电导率及半导体特性的研究，在2009年春，日本染料敏化电池专家Miyasaka首次将铅卤化物钙钛矿杂化材料CH₃NH₃PbX₃(X＝I，Br)作为光吸收材料，结合TiO₂纳米晶薄膜和碘电解质制备出钙钛矿太阳电池，然而，它产生的能量转换效率很低（碘基钙钛矿型的只有3.81%，溴基钙钛矿型的只有3.13%），它在电解液中的稳定性也比较低。

 CH₃NH₃PbI₃单晶照片

不过科学家们对钙钛矿材料的钻研并没有因此而中断，在之后10年间，钙钛矿电池的实验室效率便跃升至25.2%，叠加钙钛矿电池在晶体硅之上的效率更是高达28%。可以说，其能量转换效率已经超过了很多其他类型太阳电池，已经到了可商业化的水平。来自科研界的结论显示，相比晶体硅电池，钙钛矿电池的效率上限更高，设计出的电池效率理论上可以达到33%的效率极限，而由钙钛矿电池和晶体硅组成的的叠层电池理论转换率极限更是高达43%。

与现有的无机硅、非晶硅、多晶硅、CdTe以及CuInGaSe等材料的薄膜太阳电池相比，钙钛矿太阳电池可以采取低成本的加工方式，在材料、制备、性能等多个方面具备潜在的优势.与染料敏化太阳电池、量子点太阳电池和有机太阳电池相比，钙钛矿太阳电池拥有优异的能量转换效率，因此成为最有潜力的太阳电池技术。

钙钛矿太阳能电池的构造

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。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。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。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。

两种典型的钙钛矿太阳能电池的结构示意图.

(a)介观结构钙钛矿太阳能电池； (b)平面异质结结构钙钛矿太阳能电池

结语

不过钙钛矿太阳电池的发展现状虽然良好，但它在稳定性、大面积制备等方面其实还存在一些问题，因此还距离大范围推广还有很长的一段路要走。但其飞速提升的效率和发展前景，让包括三峡集团、金风科技、协鑫集团、通威以及国际上的牛津光伏等能源企业都相当看好，或许有朝一日它真的能够成为太阳电池行业的颠覆者。

资料来源：

钙钛矿太阳电池研究进展：薄膜形貌控制与界面工程，薛启帆，孙辰，胡志诚，黄飞，叶轩立，曹镛。

钙钛矿太阳电池综述，姚鑫，丁艳丽，张晓丹，赵颖。

钙钛矿太阳能电池研究进展，白宇冰，王秋莹，吕瑞涛，朱宏伟，康飞宇。

钙钛矿：下一个颠覆者？来源：能源杂志

粉体圈 NANA整理