光伏革命性发展——钙钛矿材料分子与新型太阳能电池效率攀升

把太阳能转化为电能是人类孜孜以求的目标，上世纪五十年代贝尔实验室发明了有实际应用价值的硅材料太阳能电池，硅材料太阳能电池不断推陈出新，已经开发出单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜太阳能电池，其中单晶硅太阳能电池实验室最高光电转换效率为25.6%，工业化规模生产组件光电转化效率达15%，非晶硅太阳能电池光电转化效率为10%。硅基太阳能电池是目前在规模化生产和实际应用中占主导地位的太阳能电池类别，有90%的市场占有率。制备单晶硅太阳能电池要纯度为99.9999%的硅，使得电池成本太高；多晶硅太阳能电池生产也要使用高真空设备和高洁净厂房，生产成本仍然很高；非晶硅薄膜太阳能电池则有稳定性不好，效率较低的问题。

从生产和运行成本上讲，硅基太阳能电池产品目前还不具备和水电、火电等进行完全市场竞争的能力。硅基太阳能电池民用产品产业化发展的瓶颈是成本和污染问题，在过去60多年时间里这些问题并没有得到根本解决，硅基太阳能发电产品目前重要用于航天、特种等高端产品中，民用产品重要靠政府补贴推广。

最近几年，欧美日等国家开始对光伏补贴政策进行调整并开展针对我国产品的双反调查，国内硅基太阳能电池厂家马上进入产业发展寒冬季节，这个事实说明开发具备真正市场竞争力的新型太阳能电池是产业发展现实要。

新型太阳能电池一旦达成效率、成本和寿命方面的突破，会带来光伏产业的革命性变化和实现巨大商业价值。到目前为止，许多新的无机、有机电池材料分子不断被开发出来，涌现出大量新型太阳能技术，其中有多元化合物薄膜太阳能电池（如碲化镉、砷化镓和铜铟镓硒薄膜电池），有机材料薄膜太阳能电池，有机无机杂化太阳能电池（如染料敏化太阳能电池和钙钛矿材料太阳能电池）等，这些第二代和三代太阳能电池实现了10%到20%甚至更高的光电转换效率，已经进入产业化门槛阶段（附图1）。

在各类太阳能电池发展过程中，新材料分子的发现和性能改进，电池结构的优化均不同程度帮助提升太阳能电池的光电转换效率，其中以钙钛矿材料分子表现最为突出。2013年十二月二十日，美国《科学》（Science）杂志推出了他们的2013年十大科学突破评选结果，其中钙钛矿（Perovskites），一种1839年由GustavRose首次发现并根据俄罗斯矿物学家LevPerovski名字命名的有机无机杂化分子材料因为在太阳能电池中的应用和电池效率快速提升而入选。钙钛矿材料便宜、易于制备，已经取得15%的光电转换效率；虽然比目前商业化的硅基太阳能电池效率低，但是钙钛矿型材料太阳能电池效率提升迅速，它和其它类型太阳能电池集成以后可以捕捉和转换更宽光谱范围的太阳光，美国《科学》杂志这样给出钙钛矿材料入选理由。