■ 廖显伯 郝会颖 韩培德 向贤碧

(1. 中国科学院半导体研究所；2. 中国地质大学(北京)数理学院)

0 引言

多年来，硅晶片太阳电池一直是光伏太阳电池领域的主流。为进一步降低太阳电池的发电成本，从上世纪70年代起，陆续发展了几种薄膜太阳电池，包括：硅基薄膜电池、碲化镉薄膜电池、铜铟镓硒电池、染料敏化电池和有机薄膜电池等。虽然经过多年的努力，薄膜电池在研发方面取得了重要进展，但都尚未达到预期的目标。或是由于电池效率不够高，研发进展缓慢；或是由于电池组分中含有稀有元素，成本降不下来，将来也恐难满足大规模太阳电池发电的需求。

近年来，出现了一种新型有机-无机混合薄膜太阳电池——金属卤化物钙钛矿型多晶薄膜太阳电池，不仅制备工艺简单、原材料普通，而且电池的光电转换效率只经过几年的研究就突破了20%。2013年美国《科学》杂志把它点评为当年科学领域的十大重要突破之一。有人预计，钙钛矿型薄膜电池的效率最终将超过25%，它与传统薄膜电池串叠而成的叠层电池的效率将有望达到32%。到那时，钙钛矿型太阳电池的发电成本将有望低于传统化石能源的发电成本[1]。

1 钙钛矿型多晶薄膜太阳电池研发动向

自然状态下的钙钛矿石已发现近200年了。钙钛矿(CaTiO3)是金属复合氧化物，化学通式为ABX3。钙钛矿具有立方晶系结构，晶胞由1个面心立方和1个体心原子套构而成，如图1所示。金属原子A(Ca)占据立方体的8个顶角，金属原子B(Ti)占据体心位置，非金属原子X(O)占据6个面心位置。钙钛矿的这种结构与我们熟知的绝大多数半导体材料的结构不同，后者多为金刚石结构或闪锌矿结构，是由2个面心立方晶格套构而成。

图1 钙钛矿ABX3的晶格结构

目前已知有数百种钙钛矿结构物质，其带隙宽度覆盖了从半金属到绝缘体的宽广范围，在凝聚态物理科学和技术领域研究及应用甚广，例如在高温超导、紫外光探测器、工业催化、环境保护、燃料电池等方面钙钛矿材料都已成为重要的研究热点。

钙钛矿结构材料在太阳电池领域的应用始于2009年。当时，日本横滨桐荫大学Miyasaka T小组在研究染料敏化太阳电池(DSSC)时，将一种有机-无机金属卤化物钙钛矿材料——甲氨碘化铅CH3NH3PbI3作为染料，用以敏化纳米多孔TiO2层吸收光子，获得了3.8%的光电转换效率[2]。该效率虽不算高，但给效率处于徘徊(10%左右)局面的染料敏化电池带来了新的希望。据称，这里CH3NH3PbI3具有钙钛矿结构，(CH3NH3)是A原子，Pb是B原子，I是X原子。

2011年，CH3NH3PbI3钙钛矿型电池采用纳米结构和液态电解质I3-/I-氧化还原对作为空穴传输层，将电池效率提高到6.5%[3]。

2012年，全固态CH3NH3PbI3钙钛矿结构电池采用有机分子螺二芴(spiro-MeOTAD)为空穴传输层，其效率提高到9.7%[4]。

[1] Service R F. Perovskite solar cells keep on surging[J].Science，2014，344 (6183): 458 － 459.

[2] Kojima A，Teshima K，Shirai Y，et al. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells[J]. Journal of the American Chemical Society，2009，131(17): 6050 － 6051.

[3] Im J H，Lee C R，Lee J W，et al. 6.5% effi cient perovskite quantum-dot-sensitized solar cell[J]. Nanoscale，2011，(3): 4088－4093.

[4] Kim H S，Lee C R，Im J H，et al. Lead iodide perovskite sensitized all-solid-state submicron thin fi lm mesoscopic solar cell with effi ciency exceeding 9%[R]. Science report ，2012，2 : 591. (待续 )