唐艺桐

摘 要：鈣钛矿太阳能电池是科学家们在最新研究中发现的一种钙钛矿结构的有机太阳能电池，因为其成本低，转化率较高等优点，逐渐受到大家关注，这种新产品的发现和对它的研究将对目前的太阳能产业有着很大的促进作用，但在它的研究和开发过程中，也存在着一些问题有待解决。

关键词：钙钛矿；太阳能电；池转化率

一、钙钛矿太阳能电池的发展史

钙钛矿是一类具有特定晶体结构的材料，对太阳能电池的制造而言，这种结构具有天然优势[1]然而，钙钛矿进入人们视野虽已近两个世纪。但是其可将太阳能转化为电能的能力直到2009年才被发现，当时日本桐荫横滨大学的Tsutomu Miyasaka将钙钛矿作为吸光层加入到染料敏化太阳能电池设备中，效率达3.8%。研究人员很快意识到，钙钛矿不仅善于捕捉日光，还可以运送电荷。

在材料研究学会会议上，美国加州大学洛杉矶分校材料学家Yang报告称，他的团队已经制造出效率为19.3%的太阳能电池。他表示，其团队专注于对钙钛矿晶体缺陷的技术改善，以及设备中不同材料层之间接口的改进。韩国成均馆大学化学家Nam-Gyu Park表示，这些缺陷和界面问题通常会影响电荷，阻止其到达电极。对晶体增加方式的改进令Park的团队所研制的钙钛矿太阳能电池的效率达到了17.01%。[2]

几年间，经过研究团队的努力，对于钙钛矿太阳能电池的研究程度有着巨大的进展，这种钙钛矿结构的有机太阳能电池的转化效率已经或可高达50%，能大幅降低太阳能电池的使用成本。当前市场上占主流的太阳能电池以硅和碲化镉为材料，达到目前的转化效率历时10多年，钙钛矿只花了短短4年时间的研究，有鉴于此，即使业界保守人士也对钙钛矿非常看好。钙钛矿太阳能电池的发展前景大好[3].

二、钙钛矿太阳能电池的优势

（一） 低成本

所谓低成本是指在商业方面，传统硅基和其它高效太阳能电池的加工设备昂贵、复杂工艺，而且能耗高。而且，在商业化的电池中必须用到铅，这也不是一个重大的问题。为了合理地处理问题，我们换一个角度思考：假设钙钛矿太阳能电池年产能达1000吉瓦，那么需要的铅也不到10000吨；相比之下，铅酸蓄电池每年消耗的铅高达4百万吨。第三个是稳定性。有关电池储存寿命的研究较少，目前仅有一个研究封装的电池在45℃下最大功率光辐照时电池的工作情况。研究表明，500小时后电池的效率下降不到20%。这个结果非常令人鼓舞[4]。

（二）高效率

2009～2012 年间，钙钛矿型太阳能电池的转换效率从 3.1%提升至 10.9%，2013 年实现了质的突破，一个又一个研究成果相继出现在杂志与网站上，每一个成果都描述钙钛矿型太阳能电池的设计及光电转换效率的转折性提高。萨斯喀彻温省大学化学家刘殿义（音译） 以薄层 ZnO 部分取代TiO2，所制备的柔性三卤化合物钙钛矿型太阳能电池具备超过 10%的转换效率，刚性太阳能电池的转换效率达到 15.7%。而近年来，钙钛矿太阳能电池的转化率已经达到50%，为目前市场上太阳能电池转化效率的2倍[5]。

（三）环保

钙钛矿是一种陶瓷氧化物，最早被发现的此类氧化物是存在于钙钛矿石中的钛钙化合物。传统硅晶太阳能电池板因原材料硅土昂贵且制造过程会产生严重污染，学界和业界近年转而研发钙钛矿太阳能板，结果光电转化效能两年内从 3%至 16%重大的科研突破，钙钛矿太能电池也因此被称为太阳能电池领域的明日之星。

新型固态太阳能电池是一块由层材料组成的三明治，每一层都具有独特的作用。第一层导电的玻璃，使太阳光能进入电池； 第二层是沉积在玻璃层之上的二氧化钛，这两层合在一起作为太阳能电池前部的导电触点； 接下来就是新款太阳能电池的主角锡钙钛矿，这一层的主要作用是捕获太阳光。研究人员在一个充满氮气的手套式操作箱内制造这一材料，这种工作台化学方法的目的是保护环境，避免锡钙钛矿被氧位于锡钙钛矿之上的是空穴传输层，这一层对于关闭电流并获得功能性的电池至关重要，主要材料是一种吡啶分子。最后压轴的是一薄层金。最终封装的太阳能电池厚度大约 1到 2微米，能放入空气。测试表明，其光电转化效率为 5.73%[6]。

三、钛矿太阳能电池的不足与问题

钙钛矿太阳能电的发展的确又快又好，但是，发展的道路上还有许多问题是需要人们去努力解决的。想制造出可用的钙钛矿太阳能电池还有很长的路要走。首先，这种太阳能电池产生的电流很低。斯坦福大学的材料科学和工程学教授迈克尔˙迈克吉最近也表示：“钙钛矿太阳能电池在面市之前，还需要解决多个问题，之一是钙钛矿储量不充足。”

四、对于钙钛矿太阳能电池的展望

钙钛矿太阳能电池在研究与研制当中，在这其间人们会遇到许许多多的问题，但是在科学家的不断努力下，距离制造出可用的钙钛矿太阳能电池的时间不会有多少了，假如，钙钛矿太阳能电池成功制造出来，无论是在它的成本，环保方面，都不会比现有的差，而且还会更好。

参考文献：

[1] 张玮皓，彭晓晨，冯晓东 钙钛矿太阳能电池的研究进展 [J] Vo1.33 No.8 Aug. 2014

[2] 石将建，卫会云，吴会觉，罗艳红，李冬梅，孟庆波 高效无空穴传输材料钙钛矿太阳能电池异质结特性研究 [J] 2014-04-20

[3] Research Cell Efficiency Records [EB/OL].[2014-04-30]

[4] Henry，snaith Science2013，342，317

[5] Research Cell Efficiency Records [EB/OL].[2014-04-30]

http：//www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency chart.jpg

[6] 张玮皓，彭晓晨，冯晓东 钙钛矿太阳能电池的研究进展 [J] Vo1.33 No.8 Aug. 2014