钙钛矿：太阳能电池新宠

　　撰文 瓦伦·西瓦拉姆（Varun Sivaram）、塞缪尔·D·斯特兰克斯（Samuel D. Stranks）、亨利·J·斯奈思（Henry J. Snaith）

　　瓦伦·西瓦拉姆是美国外交关系委员会的研究员，研究方向为能源、科技和国家安全。

　　塞缪尔·D·斯特兰克斯是麻省理工学院的研究员，研究方向为钙钛矿材料在光学和电子学方面的应用。

　　亨利·J·斯奈思是牛津大学的物理学教授，也是牛津光伏的联合创始人和首席科学家。

　　翻译 胡芹、刘易

　　钙钛矿太阳能电池因其所需的原材料储量丰富，制备工艺简单且可以采用低温、低成本的工艺实现高品质的薄膜而拥有诱人的前景。这些有着高质量晶体结构的薄膜甚至可以与在高温下以高成本获得的硅片的晶体质量媲美，实现柔性化和“卷对卷”式的规模化生产。

　　为了挑战硅在太阳能电池领域的主导地位，制备钙钛矿电池还需要解决一些关键问题。目前，实验室中的电池样品只有指甲盖大小，其安全性和长期稳定性也有待大幅提升——对于研究人员而言，这将是一场艰苦的战斗。

　　效率之战

　　在此前对钙钛矿太阳能电池能量转换效率的报道中，曾有过转换效率为20.1%的报告记录，而晶体硅太阳能电池的单元转换效率最高值为25.6%。那么，为什么太阳能电池无法将太阳光能量100%地转化为电能？为什么研究人员认为钙钛矿太阳能电池将有望超过硅所创下的效率记录？

　　答案的关键就在材料内部可激发的电子和可自由移动的电子中。当阳光照射太阳能电池时，一些电子会吸收能量而脱离原子束缚。充满能量的受激电子会穿过材料中的晶格向一边移动，或从电池的一端逸出，或遇上一个障碍或陷阱从而释放出无用的热量。对于硅太阳能电池中的硅材料来说，通常需要采用高达900℃的高温加热处理以便尽可能地降低缺陷浓度。然而钙钛矿只要约100℃就可以去除绝大多数晶体缺陷。此时，被光激发的电子同样能够顺利地逸出钙钛矿，且不至于因为撞上过多的障碍物而损失太多的能量。

　　但对于任何基于半导体材料（例如硅或钙钛矿）制成的太阳能电池而言，太阳光能转化为电能的效率总有一个上限，这主要由半导体的“带隙”性质决定。带隙指的是使电子脱离束缚成为自由电子所需的最小能量。不同半导体通常具有不同的带隙，由此会导致一个两难境地出现：带隙越小，电池吸收的太阳光光谱范围就越大，也就可以利用更多的光能来激发电子，但每个电子的能量也会更低。即使太阳能电池材料的带隙处于最理想的大小，也只能转化约33%的太阳能。

　　在制造钙钛矿时，研究者们可以通过改变原料的成分来调节它的带隙宽度，因此钙钛矿太阳能电池在效率上超越硅电池是可能的。研究者还可以将带隙宽度不同的钙钛矿层叠加在一起变成叠层钙钛矿太阳能电池。有预测指出，基于叠层结构的太阳能电池可以将太阳能的利用率提高到46%。

　　旧材料，新用途

　　矿物学家在19世纪就已经在地壳中发现了天然的钙钛矿，但直到2009年，日本桐荫横滨大学的研究组才首次将人造钙钛矿制成了太阳能电池。他们选用的钙钛矿型材料是一种含有卤素和铅元素的钙钛矿型卤铅化合物，通过优化钙钛矿的成分并对电池结构中的其他功能层进行改进，使其效率突破了10%。

　　除了沉积工艺的优化之外，科学家也简化了电池中的一些功能层，使最新的钙钛矿太阳能电池看起来跟硅电池更像。正是这种简单的薄层状设计降低了硅电池的生产成本，促进了大批量生产。同时，钙钛矿晶体薄膜的结晶性正在持续改善中，这样的发展趋势着实令人振奋。

　　商品化的漫漫长路

　　不过在实现这些愿景之前，钙钛矿还有很长的路要走。稳定性是钙钛矿太阳能电池最致命的弱点。由于它们对潮湿环境敏感，暴露在潮湿空气中会很快分解，因此必须对其进行防水封装。按照产业界惯例，一块太阳能电池板需要有25年的质量保证，相当于在恒定、明亮的太阳光下工作约54000小时。因此，找到一种能够在较大温度范围内长时间稳定工作的水汽阻隔技术十分重要。目前，也有一些公司尝试将铜铟镓硒半导体等其他材料制成商业化的柔性太阳能电池产品，并取得了一些进展。

　　钙钛矿电池封装的重要性不仅在于需要将水分隔绝在外，更要将电池中的化学成分密封在内，因为钙钛矿的成分中含有微量的铅。在材料毒性和安全性方面，钙钛矿太阳能电池可以借鉴基于碲化镉材料的太阳能电池技术——碲化镉太阳能电池板如今已经遍及世界各地，虽然镉的毒性比铅大得多，但这些电池已通过安全标准评估。钙钛矿企业或许可以从这一成功案例中学习可靠的封装技术和严格的测试方案。

　　美国麻省理工学院的研究人员此前在铅的处理方面取得了一项令人振奋的进展：他们证明，车用铅酸蓄电池中的铅可以被安全地回收再利用，并用于制造钙钛矿电池。解决安全问题的另一条途径就是完全取消铅的使用。一些团队曾发表相关文章报道了用锡代替铅制备钙钛矿电池的初步结果，然而含锡电池在效率和稳定性上都逊色于含铅电池。

　　由此看来，钙钛矿的变革者们需要给出一个在经济上更具说服力的理由，以吸引足够的投资来扩大生产规模。虽然钙钛矿电池所需的原材料十分充足，且可以较低温度下使用廉价设备进行生产，但还需要考虑“周边系统成本”，这包括安装材料和人力成本、安装许可证和系统检查相关费用以及其他相关的费用。

　　与硅电池结盟

　　根据目前的情况看，钙钛矿电池或许可以与硅电池结成“联盟”，从而在现有的光伏市场上形成有力竞争。研究人员称，在硅层上方加一层钙钛矿太阳能电池，可以将二者结合并形成一个“叠层”太阳能电池。钙钛矿材料能够很好地利用太阳光中能量较高的光（如蓝光或紫外光），这正好是硅所无法吸收的部分，这样便能激发更多具有较高能量和光电压的电子。研究者们预测，未来如果将最好的硅组件和钙钛矿器件合理地整合在一起，在不用大幅改动两者制造技术的情况下就可以获得超过30%的效率，同时，周边系统成本也将会大大降低。

　　逆向拓展

　　钙钛矿太阳能电池的迅速崛起也为科学家们和工程师们带来了其他方面的启发，如可以利用钙钛矿材料来制备其他类型的光电功能器件。此前，研究人员已用金属卤化物钙钛矿材料制造出发光二极管（LED）和激光器，它们能通过冷发光过程有效地放出光。尽管针对此类新颖产品的研究才刚刚开始，但研究者相信，这一领域将会越来越受到大家的关注。