钙钛矿太阳能技术如何提高光电转换效率

太阳的光线出现在生活中的每一个地方，人们的生活已经离不开太阳，太阳能不仅为植物生长提供光源，而且也能为人类提供能源，现在的光伏发电就是很大程度上利用了太阳能，澳大利亚悉尼新南威尔士大学教授、江苏日托光伏科技股份有限公司首席科学家马丁格林(Martin Green)在6月举办的SNEC光伏前沿技术主题论坛上，发表精彩演讲，从行业热点硅串联电池，到方兴未艾的钙钛矿，Martin Green阐释了深刻见解，他说钙钛矿太阳能技术，最早在美国斯坦福大学研究，现在这个技术达到了28%的光电转换效率，但其稳定性还有待解决。

据了解，马丁格林教授于1948年出生，澳大利亚人，现任澳大利亚新南威尔士大学教授、澳大利亚科学院院士，是世界太阳能电池领域的权威代表性人物。因其在太阳能领域的杰出贡献，获得包括国际电工委员会R.Cherry奖、J.J.Ebers奖，澳大利亚国家奖，正确生活方式奖，全球能源奖等在内的多项世界顶级荣誉。

马丁格林教授提及的钙钛矿电池利用的是钙钛矿材料制成的微米薄膜，这种材料在短短十年间就从实验室项目发展成为太阳能发电的新亮点。目前，全球十几家公司，成熟的电子巨头企业和初创企业，都希望很快能够实现钙钛矿电池产业化。

相比晶硅，钙钛矿更便宜，并且光电转化效率更高，至少在实验室中是如此。但是，作为下一代太阳能材料，钙钛矿会成为十年后的完美解决方案么?格林教授认为，从目前看，钙钛矿距离大规模产业化还需迈过稳定性、材料安全性等几道坎。

效率提升

在距离牛津大学北部15分钟车程，Oxford PV的研究实验室里，研究人员在测试1平方厘米的闪亮的黑色电池。他们正在探索在光电转换方面更有效的新材料组合，其成品类型就在工作台上：一块大的钙钛矿涂层太阳能组件，尺寸为标准硅电池的243平方厘米，层压在两片玻璃之间。

研究人员可以选择很多不同组成的“钙钛矿”晶体结构。该钙钛矿术语最初指的是矿物质钙钛氧化物(CaTiO3)，它于1839年在俄罗斯乌拉尔山脉中被发现，并以俄罗斯矿物学家Lev Perovskite的名字命名。但太阳能电池中的钙钛矿与该矿物几乎没有共同点，些许的共同点是只有它们的ABX3结构。

从太阳能的角度来看，这些材料的重要优势是入射光使其带负电的电子进入较高能量能级，留下空位或“空穴”，就像带正电的粒子。如果这些带电荷的电子和空穴可以在湮灭前到达钙钛矿膜上方和下方的电极，则可以产生电流。

2009年报道的第一个钙钛矿光伏器件其光电转化效率仅为3.8%。但由于晶体在实验室中很容易制作，并通过将低成本的盐溶液混合在一起形成薄膜，研究人员设法改善其性能。到2018年，由美国和韩国的研究人员制备的钙钛矿电池效率飙升至24.2%，其理论极限不到30%，但不幸的是，钙钛矿效率记录一直限于小于1平方厘米的微小样品上。

研究人员说到：“人们尚未证明有能力以大面积形式制造高效钙钛矿电池”。一个问题是，制备大面积均匀钙钛矿涂层比较困难。另一个原因是，当在实验室中使用微小电池时，科学家们使用TCO薄膜收集电流，这些TCO薄膜可以通过大量光线，但具有微小电阻，这意味着它们会使电流变小。在较大的面积上，这种电阻率的问题将变得更加的明显。例如，在松下公司，研究人员报道了一块6.25平方厘米的钙钛矿电池，效率为20.6%。但当35个电池片组合成412平方厘米的组件时，效率降至12.6%。纤纳公司拥有钙钛矿“mini组件”的认证纪录，七个电池片，大约17.3平方厘米，效率达到17.3%。

但提高效率的最快途径可能是用钙钛矿叠加到硅片上。去年，Oxford PV报道了一种效率为28%的1平方厘米串联电池，它是通过在硅片表面涂覆17%的高效钙钛矿层制成的。钙钛矿可以吸收更多的短波长蓝绿光，使硅吸收更长波长的红光。

它们足够耐久吗?

然而，钙钛矿的主要挑战是它们是否可以在25年内经久耐用。在澳大利亚悉尼新南威尔士大学研究钙钛矿和其他太阳能材料的马丁格林说，“钙钛矿稳定性需要符合晶硅组件的规范标准，现在看起来不可能”。

钙钛矿对空气和水分敏感，但这不是最致命问题。商业太阳能电池板已经将其光伏材料封装在塑料和玻璃中以进行保护，这也可能适用于大多数钙钛矿。更重要的问题在于钙钛矿材料晶体本身，在某些情况下，随着钙钛矿的升温，结构发生变化;尽管变化是可逆的，但它会影响其以后的性能表现。

研究人员一直在努力解决这个问题：在瑞士的洛桑联邦理工学院(EPFL)，由Michael Graetzel领导的团队开发了ABX3结构中具有三个或四个不同“A”阳离子。该团队将甲基铵和甲脒阳离子与少量的铯和铷结合在一起，与使用单独的阳离子对比时，该组合可防止由温度和湿度引起的结构变化。

另一个问题是当光线照射到钙钛矿晶体上时，小的“X”阴离子在结构内部移动。如果阴离子存在任何间隙(可能会发生这种情况)，就会导致一系列连锁反应，这些连锁反应可能会改变晶体的构成和效率，或导致失效。钙钛矿电池在大多数太阳能技术效率存在的差异方面显得更加显著。

大多数钙钛矿电池研究公司尚未公布其稳定性结果。但他们都表示，他们遵循由瑞士日内瓦国际电工委员会(IEC)制定的硅太阳能电池板认证标准。该标准称为IEC 61215，涉及室内测试，其中组件在85%相对湿度下加热至85°C，持续1000小时;组件面板在-40°C至90°C之间循环至100次，甚至采用冰雹模拟测试。

如果在这些测试之后硅电池板仍然可以工作，那么在常规的天气下它应该有25年性能保证。但由于钙钛矿与硅有不同的不稳定性，它们虽然也通过这些测试，但在现实环境中可能仍然不适用。与现行主流光伏电池组件的25至30年寿命相比，这是一个主要的缺点。

铅的毒性

钙钛矿电池的另一个潜在隐患是它们材料中含有铅，铅是一种有毒金属。研究人员尝试过使用替代品，如锡，但电池性能下降。这并不意味着钙钛矿电池不能使用。Oxford PV的串联电池的生命周期分析表明，少量铅泄漏对环境毒性没有太大影响。该分析还认为，在电池生产过程中，硅电池使用的资源对整体环境的影响更大。

但一些研究人员表示，含铅的问题消除了在一次性电池产品中使用钙钛矿的想法。 Graetzel认为他们可能会在人们很少去的大型太阳能电站中使用。Graetzel说：“如果有人想不计后果的出售钙钛矿组件，他们的想法就是错误和危险的，如果一个孩子刺穿封装材料怎么办，很容易导致铅中毒。”

与此同时，大多数生产钙钛矿组件的公司表示，他们不希望进入主流太阳能电池板市场，至少不是立即，这是他们能专注于轻质薄膜电池的原因。一些公司已经退出了钙钛矿市场。跨国公司富士胶片是钙钛矿太阳能专利的第三大持有者。但是，在对钙钛矿太阳能电池进行基础研究后，它不再开发用于制造它们的电池或材料，发言人Shohei Kawasaki说，澳大利亚钙钛矿开发商GreatCell Solar于12月投入运营;虽然它与世界上最大的太阳能电池板制造商之——中国上海的晶科能源公司(JinkoSolar)建立了合作伙伴关系，但未能吸引足够的投资来建造设施。

这些挫折暗示钙钛矿的优势并不像倡导者所想象的那样显而易见，钙钛矿太阳能电池是否真的能兼顾各方面的要求，还是得经过户外实证的检验。如果某一天人们能高效利用太阳能，相信能解决很大的能源问题，毕竟太阳能是符合可持续发展战略的，能保证人类的永续发展，需要我们科研人员更加努力。