关于太阳能电池中的钙钛矿薄膜电池技术的发展概况

随着社会的进步，科技的发展，人们对能源的需求越来越大，而现有的能源有限，需要人们不断发展新能源，而太阳能就是一个不错的选择，人们开始大力发展太阳能能发电，这就促进了钙钛矿太阳能电池的发展。

据外媒报道，钙钛矿太阳能电池虽然在效率方面正迅速赶上其硅前辈，但在生产速度方面仍非常落后。现在，斯坦福大学的研究人员开发了一种制造钙钛矿太阳能电池的新方法，其速度可达每分钟40英尺(12米)，这样的速度甚至比硅还快。

转换效率是衡量太阳能电池性能最重要的指标，目前得到认证的最高电池转换效率已经达到20.1%(图3)。 限制太阳能电池转换效率提升的瓶颈在于入射光的大部分能量被反射或者透射损耗掉， 而只有与吸光层材料能隙相近的光才能被吸收转化为电能。 因此， 提高电池转换效率的关键在于改善电池的能带结构。 除了上文中提到的通过调控钙钛矿材料中的离子基团来调节能隙， 制备出不同能隙的多结太阳能电池也是该领域研究的重要方向之一。

从2009年到2015年的短短6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20.3%，提高了5倍多。其效率进步之快，以至于被《科学》期刊评为2013年的10大科学突破之一。当前，钙钛矿太阳能电池的学术研究仍然十分活跃，其产业化前景也十分看好，但实用化技术的研究成果尚待突破。

目前，太阳能电池市场85%的市场份额由晶体硅太阳能电池占据，晶体硅价格高昂，光伏产业的应用发展由此受到制约。

数十年来，硅一直主宰着太阳能电池市场，但近年来，这一王冠有被夺走的危险。其中增长最快的新产品则就是钙钛矿，它的效率从2009年的不到4%上升到了今年早些时候的20%--接近硅的25%。另外，它的生产成本也可能比硅更低、更节能。

转换效率发展速度快——6年时间从3.8%升到20.3%，而2013年11月美国科学家在最新研究中发现，新式钙钛太阳能电池的转化效率或可高达50%，为目前市场上太阳能电池转化效率的2倍，这说明了它还有很大的发展潜力; 电池制作工艺简单——实验室中常采用液相沉积、气相沉积工艺、液相/气相混合沉积工艺;

有机金属卤化物钙钛矿材料在潮湿环境和光照条件下稳定性较差，容易发生分解而造成电池效率下降甚至失效，因此除不断提升转换效率外，目前很多研究也致力于提高太阳能电池的稳定性。 钙钛矿电池的稳定性受到温度、湿度等多种环境因素的制约。 改善钙钛矿电池的稳定性有两种思路： 一种是提高钙钛矿材料本身的稳定性，另一种是寻找合适的传输层材料使电池与环境隔绝，抑制钙钛矿材料的分解。

薄膜太阳能电池结构简单、制备成本低廉，尤其钙钛矿型太阳能电池由现成材料制成，具有广泛的应用前景，但该类电池的产业化瓶颈是光电转化效率偏低，现阶段的研究重点是提高其光电转换效率。

当然，钙钛矿并不是完美的。它远不如硅那么稳定，所以批量生产需要手工操作，并且在生产过程中经常会出现缺陷从而导致电池在元素中降解得更快。

材料有毒——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%，而且材料非常不稳定，目前处于研发初级阶段;

钙钛矿太阳能电池也存在一些亟需突破的问题。 首先， 人们大多专注于从不同的角度改进材料和制备方法来提高电池的转换效率， 但始终没有建立起完备的理论模型来解释电池转换效率提高的原因， 难以得到一个准确可靠的转换效率的理论上限。 其次， 如何兼顾提高稳定性和转换效率是目前的一个难点。 钙钛矿太阳能电池对水蒸气和氧气非常敏感，尽管目前已经出现稳定性长达4个月的电池， 但效率仅有12%， 相比传统晶硅电池(寿命可达25年)， 依然有较大差距。 再次，如何实现钙钛矿太阳能电池的大面积连续制备也是现在面临的一个重要问题。在实验室所制得的器件的尺寸仅有几厘米大小，与满足产业化需求还有距离。 最后， 如何避免使用铅等对环境不友好的重金属同时兼顾高的转换效率也是目前面临的重大挑战。 目前用其他元素替换铅通常要以降低电池效率为代价， 寻找更合理的方式解决含铅带来的环境问题， 使钙钛矿太阳能电池可回收、可再生， 对实际产业化同样重要。基于此，通过改善钙钛矿层与其他传导层间的界面性能， 寻找更高效的电子/空穴传输材料， 电池转换效率仍有非常大的提升空间， 同时也可以使太阳能电池的稳定性得到改善。实现钙钛矿材料的无铅化， 也成为钙钛矿太阳能电池最终能否被公众接受、实现广泛应用的关键因素之一。

以上就是钙钛矿太阳能电池技术的发展概况，目前太阳能还未能更好被人类利用，需要科研人员不断努力，研究出更高效地产品，这样才能保证我们人类的能源够人类发展所需。