钙钛矿电池会成为太阳能产业的黑马吗？

随着关于钙钛矿太阳能电池技术的最新进展频繁见诸报端，钙钛矿太阳能电池正在走进人们的视野，并被誉为太阳能产业的一匹黑马。

钙钛矿，英文名perovskite，是一种普通的金属有机化合物晶体，主要成分是钛酸钙（CaTiO3）。1839年德国矿物学家古斯塔夫-罗斯（GustavRose）在俄罗斯中部境内的乌拉尔山脉上发现了一块特殊的岩石样本，于是决定以地质学家LevPerovsk来命名。不过后来我们普遍指的钙钛矿电池（全称：钙钛矿型甲胺铅碘薄膜太阳能电池）并不是用这个矿石材料制成的，而是使用了与钙钛矿晶体结构相似的化合物。

钙钛矿的结构是ABX3的形式。这种结构在每个角共享一个BX6正八面体，其中B是金属阳离子（Sn2+或Pb2+），X是一价阴离子（Cl-，Br-或I-）。钙钛矿中的阳离子A被用来抵消电荷使材料达到电中性，它可以是半径较大硷金属离子等，甚至可以是一个分子。

这种奇特的晶体结构让它具备了很多独特的理化性质，比如吸光性、电催化性等等，在化学、物理领域有不小的应用。钙钛矿大家族里现已包括了数百种物质，从导体、半导体到绝缘体，范围极为广泛，其中很多是人工合成的。太阳能电池中用到的钙钛矿（CH3NH3PbI3、CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbCl3等）属于半导体，有良好的吸光性。

在薄膜太阳能电池日渐兴起的今天，CIGS薄膜太阳能电池几乎占据了大半个版面。但是作为太阳能电池家族中的一员，钙钛矿太阳能电池正在崭露头角。

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钙钛矿自2009年以来开始被用于太阳能电池研究，并被世界各地的多个实验室和企业反复验证。从2009年到2014年的短短5年间，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从3.8%一下跃升至19.3%，提高了5倍。其效率进步之快，成本之便宜，生产之容易，以至于被《科学》期刊评为2013年的10大科学突破之一。

2009年，日本桐荫横浜大学的宫坂力通过将薄薄的一层钙钛矿（CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3）当做吸光层应用于染料敏化太阳能电池，制造出了钙钛矿太阳能电池。当时的光电转换率为3.8%。后来研究者对电池进行了改进，转换效率翻倍。虽然转换效率提高了，但还要面对一个致命问题，即钙钛矿中的金属卤化物容易在电池的液体电解质中发生水解，导致电池稳定性低，寿命短。

2012年8月，由格拉兹尔领导的韩国成均馆大学与洛桑理工学院实验室将一种固态的空穴传输材料（holetransportmaterials，HTM）引入太阳能电池，电池效率一下提高到了10%，也解决了电池不稳定的问题，并比以前更容易封装。

2013年，牛津大学的亨利-司奈斯将电池中的TiO2用铝材（Al2O3）代替，钙钛矿不仅成为了光的吸收层，也同时是传输电荷的半导体材料。钙钛矿电池的转换效率一下攀升到15%。

2014年8月，加州大学洛杉矶分校的华裔科学家杨阳领导的研究团队，在《科学》期刊上发表最新研究论文称，他们通过改进钙钛矿结构层，选择更适合传输电荷的材料，让电池两端的电极能收集更多的电，其转换效率最高达到了19.3％，成为该领域之最。

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与薄膜太阳能电池相比，钙钛矿太阳能电池具有转换效率高、制作工艺简单、发电成本低、建筑一体化潜力大等优点，比第三代薄膜太阳能更适宜大规模推广和使用。

当然，由于钙钛矿太阳能电池技术并不成熟，导致科学家们仍有大量难题亟待攻破。首先钙钛矿电池材料中含有铅，可能会造成一定程度的环境污染，尽管已经有学者研发出用锡替代铅的钙钛矿太阳能电池，但其转化效率仍有待提高。其次，钙钛矿晶体遇水容易分解，如果使用钙钛矿电池发电，则可能出现电池内物质渗入建筑物内或周围土壤的情况。再次，目前这种太阳能电池的寿命还不长，迄今为止的最高记录仅为1000小时，而传统晶体硅太阳能电池寿命可达25年，两者间差距仍然较大。

钙钛矿太阳能电池尽管优势众多，但其离真正投产仍有一段距离。只有突破上述劣势，钙钛矿太阳能电池才能真正成为行业黑马。