钙钛矿太阳能电池前景

近年来钙钛矿（perovskite）太阳电池因其创纪录的高效能、低廉的制造成本而备受瞩目。最近，美国科学家研发出制造毫米级钙钛矿晶体的溶液制程技术，制造出之成品较先前的奈米级、次微米级晶体材料大上几个数量级。粒径越大代表缺陷较少，而钙钛矿的特性可媲美其他无机太阳电池材料，成本却低廉许多。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%一下子跃升至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《SciencesJournals》评为2013年的10大科学突破之一。

洛斯阿拉莫斯（LosAlamos）国家实验室的研究员AdityaMohite表示，在短短两年之中，钙钛矿太阳电池的效能已经达到20%，相形之下，其他奈米材料花了二十年才达到9%的效能。Mohite也认为，其团队所研发出提升钙钛矿晶体质量的方法，也可望应用来提升晶体质量，以获得更佳的光电特性。纳米材料科技虽然能得到好的光学质量，但因具有多重接口会造成电子-空穴的复合。若能制造质量更佳的晶体，将能改善此状况。另外，缺陷与晶界产生的陷获态（trapstate）会限制电荷载子的活动，因此晶体质量可由逆转电压扫描时是否产生迟滞现象（hysteresis）得知；而上述方法的到的钙钛矿晶体并无迟滞现象。此外，该团队也测量了开路电压与光强度之间的关系，显示双分子复合过程主导材料的光电行为。

但这毕竟是学术上的研究，在进行商转前我们必须先解决以上钙钛矿电池的难题：

1）。有毒→钙钛矿电池材料含有铅，不过铅跟其他类型电池含有的砷、镓、碲、镉相比，简直就是小巫见大巫。而美国西北大学也已研发出一种用锡代替铅的钙钛矿太阳能电池，不过这种电池的转换效率还只有6％，目前处于研发初级阶段，效率还有提升空间；

2）。不稳定→钙钛矿中的铅容易氧化挥发，而当晶体遇水时则易分解。如果我们使用钙钛矿电池发电，它很有可能渗出流到屋顶或土壤中；

3）。寿命不长→目前，寿命最长的钙钛矿太阳能电池可达到1000小时，由华中科技大学和洛桑联邦理工学院合作研发。而传统晶硅电池寿命一般可达到25年，比钙钛矿电池长得多。

我还是看好钙钛矿电池的未来，也相信研究人员会找出最佳方案来取代现有技术，但你要问甚么时候可以来临，很多事都说不准。举例来说，电动车应该可以取代汽油车，汽油也降价了，又跑出来一个页岩气来搅局。所以说，技术是可以先突破放在哪里等机会上位，但如果原先消费习惯及性价比一时之间还没有被接受，也不见得最佳方案就能成功上市。

有机/无机杂化的钙钛矿电池具有成本低、低温柔性及易于大面积印刷等优点，受到人们的广泛关注。过去十年，钙钛矿电池的研究迅猛发展，其光电转换效率已从初始的2.2%迅速提高到22.1%（图1上），接近硅太阳能电池水平。大面积电池也发展迅速（图2）。因此钙钛矿太阳能电池具有巨大的发展前景。

影响钙钛矿电池商业应用的主要原因是其电池的稳定性，目前钙钛矿电池仅能在使役条件下工作数月（图1下），而传统的硅电池能够工作超过25年。因此，如何提高钙钛矿电池的稳定性是目前这一领域最为重要的问题，各国科学家竞相在这方面开展工作。应《自然》（Nature）杂志的邀请，加州大学洛杉矶分校教授YangYang与中国科学院半导体研究所研究员游经碧近期撰写了题为Makeperovskitesolarcellsstable的评论文章（YangYang，JingbiYou，Nature，544，155-156（2017））。

针对目前的研究进展，他们概括出了五种改善钙钛矿太阳电池稳定性的手段：

1）调控钙钛矿材料的晶体结构，通过少量掺杂提高钙钛矿材料的相稳定性；

2）降低钙钛矿晶体缺陷，减少外界环境的渗透通道；

3）设计新的稳定的钙钛矿材料；

4）采用稳定的无机电荷传输层；

5）改善封装工艺等。同时，他们呼吁投入更多的经费和人力参与提高稳定性的工作中来；理论物理学家、材料化学家以及器件工程师应紧密合作，开发与研制出新的稳定的钙钛矿基太阳能材料及器件。此外，研究者们在报道器件稳定性时必须采用统一的稳定性测试标准。只有这样，才能加快钙钛矿电池商业化进程，为人们所用。

YangYang和游经碧是该评论文章的共同通讯作者。

图1.（上）过去十年钙钛矿电池发展效率的趋势图，（下）钙钛矿电池稳定性发展图。

图2.大面积钙钛矿太阳能电池