材料科学技术协会
前言
随着全球人口的快速增长和经济的快速发展，能源需求大幅增加。 然而，目前能源消耗大部分来自化石燃料，给地球带来了严重的环境污染和温室效应。 因此，开发和有效利用太阳能、风能、地热能等可再生清洁能源刻不容缓。 太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁能源，太阳能电池是利用太阳能的有效途径之一。
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。 具有效率高、成本低、制造工艺简单、光谱吸收范围宽等优点，即使在弱光条件下也能保持光电转换率。 由这种材料制成的电池被《科学》杂志评为2013年十大突破之一。
近年来，随着晶体硅太阳能电池的发展越来越成熟，钙钛矿太阳能电池（PSC）逐渐受到业界的关注。 国家出台多项政策促进钙钛矿光伏研发和产业化。 2021年11月，《能源领域科技创新“十四五”规划》提出“研发大面积、高效、高稳定、环境友好的钙钛矿电池，开展晶硅/ 2022年6月，提出《技术支撑碳峰值碳中和实施方案（2022-2030年）》。坚持研发高效稳定钙钛矿电池等技术 2023年1月，《关于促进能源电子产业发展的指导意见》提出，推动钙钛矿、叠层等先进技术研发和应用；提升电池大规模量产能力。
凭借政策的大力支持以及钙钛矿电池高转换效率和低成本两大核心优势，市场对其未来发展寄予厚望，产业化进程正在加速。
惊人的钙钛矿
钙钛矿以俄罗斯矿物学家佩罗夫斯基的名字命名。 它最初是指矿物钛酸钙（CaTIO3）。 后来，具有类似结构的晶体统称为钙钛矿矿物。 有趣的是，钙钛矿太阳能电池中不含钙或钛。 事实上，它的名字来源于光吸收层材料：钙钛矿型物质。 由具有ABX3结构的化合物组成的材料家族统称为“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+，X位为卤素阴离子。 这是一种人工设计的材料，具有很强的光吸收能力和较宽的吸收范围。 由于制备工艺简单且成本低廉，对于科学家来说，钙钛矿电池是目前最有前途的光电技术之一，也是太阳能电池中的佼佼者。
基板上的钙钛矿晶体
02钙钛矿太阳能电池的诞生
2009年，日本科学家Riki Miyasaka及其同事首次使用有机-无机杂化钙钛矿材料甲胺碘化铅（CH3NH3PbI3）和甲胺溴化铅（CH3NH3PbBr3）作为新型光敏剂来替代染料敏化剂。 太阳能电池中的染料，并生产出世界上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为3.8%且仅稳定几分钟，但却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Park Nam-gyu的研究小组通过技术改进将转换效率提高到6.5%。 然而，由于它仍然使用液体电解质，因此材料不稳定，几分钟后效率下降了80%。 “液体电解质钙钛矿敏化太阳能电池有一个致命缺陷，那就是液体电解质会溶解或分解钙钛矿材料，这会导致电池在几分钟内失效。” 为此，科学家们不断拓展视野，创新性地使用固体电解质作为空穴传输层。
2012年，牛津大学Henry Snaith和Mike Lee的研究小组推出了空穴传输材料Spiro-OMeTA，实现了转换效率接近10%的固态钙钛矿电池。 同时，该器件表现出优异的稳定性：未封装的器件在存放500小时后光伏性能没有明显下降。 此时，钙钛矿电池已成为新的研究热点。
03钙钛矿太阳能电池的结构
钙钛矿太阳能电池的结构就像一个三明治，一般由五部分组成：透明导电电极、电子传输层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层和金属电极。 其中开云官方app下载站，位于中间的电子传输层、钙钛矿光吸收层和空穴传输层是钙钛矿电池最基本的三个功能层。 根据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分为正立结构（nipkaiyun开云官方网站，电子传输层-钙钛矿层-空穴传输层）和倒置结构（pin、空穴传输层）。 传输层-钙钛矿层、电子传输层）。
04钙钛矿太阳能电池的结构
如果我们想了解钙钛矿太阳能电池高效率和普及背后的秘密，就不得不谈谈它的光吸收和能量转换的原理。 这个奇妙的过程大致如下：
阳光照射到电池的吸收层后立即被吸收。 光子的能量激发最初束缚在原子核周围的电子，使它们形成自由电子。 由于物质整体必须保持电中性，当一个电子被激发时，会同时产生一个额外的带正电的对应物，这在物理学上称为空穴。 这样的“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结合能很小，例如MAPbI3的激子结合能仅为19±3meVkaiyun开云官方网站，因此可以在室温下分离成自由载流子，随后生成的自由载流子被单独输运。 这层材料传输出去，然后被电极收集，形成电流，然后在外部电路中做功，完成整个光电转换过程。 工作流程大致可以分为：
1）激子的产生和分离；
2) 自由载波的传输
3）载流子的收集和电流的产生，同时还伴随着载流子复合过程。
为了提高这一性能，麻省理工学院 (MIT) 的 Moungi G. Bawendi 教授和韩国化学技术研究所的 Jangwon Seo 研究小组合作发表了一篇文章，报告了一种通过增强载流子管理来提高 PSC 性能的总体方法。 首先，通过调整二氧化锡（SnO2）的化学浴沉积，开发出具有理想薄膜覆盖率、厚度和成分的电子传输层； 其次，通过解耦体和界面之间的钝化策略，从而提高性能，同时最大限度地减少带隙损耗。 在正向偏压下，该器件的电致发光外量子效率高达17.2%，电致发光能量转换效率高达21.6%。 作为太阳能电池，经认证的能量转换效率为 25.2%，相当于其带隙热力学极限的 80.5%。
05未来前景与存在问题
自2009年发明以来，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率快速增长。 截至目前，钙钛矿电池实验室效率为26.1%，小型组件效率接近23%，平方米组件效率已超过18%。 超越了非晶硅、染料敏化和聚合物电池等薄膜太阳能电池数十年的研究成果。 因此，钙钛矿太阳能电池展现出了前所未有的发展潜力。 同时，钙钛矿电池相比晶硅电池有两大优势：一是转换效率高，效率提升更快。 三片钙钛矿堆叠电池理论效率可达50%，与目前主流的25片钙钛矿电池相同。 电池技术还有很大的空间在%左右； 其次，钙钛矿原料易得，制造产业链显着缩短，产业化潜力巨大。
然而，钙钛矿材料在工程化应用的道路上仍存在需要解决的瓶颈，而钙钛矿材料具有诸多优点，吸引着科学家们不断探索和研究。 瓶颈问题有三个方面：
1）还需要发展大面积、高质量的钙钛矿薄膜制备技术。 对于钙钛矿太阳能电池的规模化生产，传统的大面积钙钛矿太阳能电池制造方法（如丝网印刷、狭缝模涂）已用于制备超过100平方厘米的电池组件，也取得了较好的效果。 效益好，发展前景好。
2）设备的稳定性也有待提高。 尽管大面积钙钛矿太阳能电池器件的效率得到了很大提高云开·体育appkaiyun，但长期稳定性是其工业化应用的主要障碍。 因此，需要综合考虑温度、光照、氧气、封装技术等环境因素的影响，进一步提高电池稳定性。
3）还需要进行无铅研究。 钙钛矿材料的合成、电池制备、使用和回收等过程中都存在铅环境污染问题。 钙钛矿太阳能电池的发展需要开发新型高效无铅钙钛矿材料，并开发更完整的封装技术以避免铅泄漏。 预计在不久的将来，通过各国研究人员的共同努力，钙钛矿太阳能电池的关键问题能够得到解决并推向市场。
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参考：
[1] 颜叶玲，曹俊梅，孟凡宇，王宁，高立国，马艳丽。 大面积钙钛矿太阳能电池[J]． 化学进展, 2019.07:2-7
[2] 郑洁. 钙钛矿的前世今生：从乌拉尔山脉到新型光伏电池[EB/OL]。 (2023年5月24日)[2024年1月23日]。