张红妹　王通

摘要：随着全球经济快速发展和社会进步，能源短缺和环境污染问题已经成为社会经济发展的障碍。如何在化石燃料枯竭的时期继续维持社会发展和保障人民生活水平，是各国亟待解决的问题。新能源开发和利用将为人类文明可持续发展提供重要保障。太阳能作为一种洁净可再生能源，以其污染少、效率高等优点成为最具前景的新能源之一。综述了太阳能电池的研究现状和最新进展。

关键词：太阳能电池;钙钛矿;发展建议

1 引言

当今世界发展的主要动力是能源，随着煤炭、石油、天然气等传统能源的日益减少，以及使用传统能源对环境、气候的严重影响，全世界对可再生能源利用的关注度进一步提高。取之不尽、用之不竭的太阳能是人类的首选清洁可再生能源。如何高效率、低成本的利用太阳能一直是全世界的研究焦点。太阳能电池经历了第一代单晶硅和多晶硅太阳能电池技术，第二代非晶硅薄膜电池和多晶硅薄膜电池技术，以及以染料敏化电池、量子点电池和有机太阳能电池为主的第三代高效率新概念电池技术的三个主要发展进程。硅基太阳能电池是发展最完善、应用最广泛的第一代太阳能技术之一，但由于高纯硅的制备成本高、耗能高等成为制约硅基太阳能电池产业化应用的主要难题。较第一代太阳能技术相比，非晶硅薄膜太阳能技术能够容忍较高的缺陷密度，因此发展速度迅猛，但同样受到生产成本、环境污染，以及稀有元素难以持续发展等普遍问题的制约。1991年Gratzel开发出了光电转化效率7.1%的染料敏化太阳能电池，开创了第三代太阳能技术的新时代，因其成本低廉、原料丰富等优势而受到了关注。虽然染料敏化太阳能电池经过二十多年的发展效率最高已超过13%，但仍然面临稳定性差、机理复杂、难以大规模生产等诸多问题，短时间内很难实现技术突破。2013年，Science杂志将钙钛矿太阳能电池列为2013年度世界十大科技进展之一，正式开启了钙钛矿太阳能电池发展的历史新纪元。由于钙钛矿太阳能电池在发现后的短时间内便展现了极快地发展速度，从2009年公布的效率为3.8%的金属卤化物钙钛矿太阳能电池开始，短短8年时间增长到了2016年的23.6%，被视为最具应用潜力的高效太阳能电池。

2 钙钛矿太阳能电池

PSCs的工作機理仍然处在研究之中，但简化的被广为接受的原理如下：太阳光照射到钙钛矿吸收层，能量大于禁带宽度的光子被吸收，钙钛矿层中的价电子被激发至导带，并在价带处留下空穴，分离后产生电子/空穴对。随后，自由电子注入到电子传输层（通常为TiO2）中，并随之传输到FTO电极，经外电路到达金属阴极;空穴则会扩散到钙钛矿/空穴传输层界面并注入到空穴传输材料的价带中，在HTM中运输到达金属阴极，在此处与自由电子结合，形成一个回路。这样，太阳能就能通过钙钛矿太阳能电池转化为电能。空穴传输材料可以有效促进电子和空穴的分离，降低电荷复合，并且能保证电池的稳定性。

2.1 钙钛矿材料的结构

钙钛矿材料的名字来源于钙钛矿石中的钛酸钙（CaTiO3）化合物。一般来说，钙钛矿型化合物的化学式为ABX3。A，B是大小不同的阳离子，A离子大于B离子，X是和两者相结合的阴离子。A一般指的是有机阳离子CH3NH3+，B指的是Pb2+，Sn2+，X指的是卤素离子，如Cl-，Br-或者I-。在理想的有机钙钛矿晶体结构中，A离子占据面心立方格子的顶角位置，X离子占据面心立方晶格的面心位置，B离子填充在由面心立方晶格中6个X离子构成的八面体中心。（也即在ABX3的结构中每个A离子与12个X阴离子相连;每个B离子与6个X阴离子相连）在实际的晶体中，晶体的结构可能会受到压力和温度的影响发生扭曲，导致不再对称，进而晶体结构发生改变，甚至破坏本身的钙钛矿结构使其变为非钙钛矿结构。我们可以用容忍因子的概念，来评价钙钛矿晶体结构的稳定性。容忍因子可以用公式t=（RB+Rx）/√2·（RA+Rx）（这是一个半经验公式）来计算。根据实验经验，对于稳定的钙钛矿晶型的化合物，容忍因子需在0.8～1之间。

2.2 钙钛矿太阳电池的基本结构和工作原理

目前固态铅卤钙钛矿太阳能电池因其自身的一些良好的性能和借助于液态敏化电池的大量研究基础实现了快速的发展。这类固态钙钛矿太阳能电池的结构有多孔型和平面型两种结构，这两种类型的钙钛矿太阳能电池是固态钙钛矿太阳能电池的重要发展方向。平面型钙钛矿太阳能电池的工作原理：钙钛矿薄膜层作为光吸收层，当太阳光照射时其光子能量被钙钛矿薄膜层吸收，这些能量激发原子核周围的被束缚的电子，形成自由电子，相应的会产生一个空穴，即形成电子-空穴对。而且电子-空穴对易分离为电子和空穴，电子会流经电子传输层然后到导电玻璃层，空穴则会流经空穴传输层到金属电极。当外电路被接通后，就会产生电流。多孔型钙钛矿太阳能电池则是将铅卤钙钛矿薄膜用氧化铝多孔骨架替代，其他层材料几乎不变，其中氧化铝多孔骨架只起到支架作用，别名为“超结构电池”。最近，东南大学的熊仁根团队在钙钛矿型材料研究上有新的突破，获得国内外关注。

3 发展建议

3.1 理性看待钙钛矿太阳能电池产业化

虽然钙钛矿太阳能电池研究火热、进展很快，但短期内不会对传统光伏格局带来明显冲击。一方面，制约钙钛矿太阳能电池产业化的规模化生产、成本、寿命、环保等因素还没有彻底解决;另一方面，薄膜电池在整个光伏市场中占比很低，不足5%，同时已商业化的光伏电池也一直保持高度的研究活力。

3.2 积极发展大面积柔性薄膜光伏制备技术

该技术是有机及钙钛矿薄膜光伏电池印刷制备的关键共性技术，也是我国相对落后的技术环节，制约了我国将先进实验室技术率先转化为现实生产力。建议我国通过重大任务、重大专项，部署高校、科研院所、企业等相关研究力量发展该技术。

3.3 积极发展钙钛矿材料

具有电、磁、光等多功能耦合的钙钛矿新体系，在信息存储与信息安全以及光能源转换等方面有其独特的优势，可望为信息、能源、催化等领域的发展带来重大突破。目前，钙钛矿的应用研究仍显单一，建议积极发展面向晶体管和集成电路、激光器、LED、光探测器、催化等应用的新型钙钛矿材料。

4 结语

通过对电池的界面工程的深入研究、开发更高效的电子或空穴传输材料、提高PSCs的长期稳定性是钙钛矿太阳能电池真正在能源方面得到广泛应用的关键。

参考文献：

[1]邹金龙，罗玉峰，肖宗湖，等.空穴传输材料在高效钙钛矿太阳能电池中的发展演变[J].材料导报，2018，32（15）：2542-2554.

[2]刘畅，苑帅，张海良，等.铜膜碘化法制备p型CuI薄膜及其用作空穴传输层的反型钙钛矿电池性能[J].无机材料学报，2016，31（4）：358-364.