新型钙钛矿太阳能电池：稳定、高效、便宜、便于制造

导读

近日，日本冲绳科学技术大学院大学（OIST）的研究人员采用一种稳定、高效且相对便宜的钙钛矿材料开发出新型太阳能电池。

背景

太阳能，是颇具代表性的新能源之一。其优势包括：清洁、可再生、无污染、易获取等等。为了将太阳光的能量直接转化为电能，我们通常要借助一种设备：太阳能电池。如今，太阳能电池在我们的身边到处可见，例如：窗户、墙壁、汽车、智能手机、平板电脑等物品中都会见到太阳能电池的身影。

（图片来源：维基百科）

迄今为止，大多数的太阳能电池都是由硅制成，因为这种材料非常善于吸收光线。可是，硅面板的制造成本却很昂贵。

科学家们一直都在研究由钙钛矿组成的结构，使之成为硅的替代品。真正的钙钛矿，是一种存在于地球中的矿物，它由钙、钛、氧分子经过特殊排列而成。具有相同晶体结构的材料称为钙钛矿结构。

相比于共棱、共面形式连接的结构，钙钛矿结构显得更加稳定，更有利于缺陷的扩散迁移。因此，钙钛矿具备了许多优异的物理化学特性，例如电催化性、吸光性等。

（图片来源：维基百科）

钙钛矿结构非常适合作为太阳能电池吸收光线的活性层，因为它们吸收光线的效率比硅更高，且成本更低廉。将钙钛矿结构集成到太阳能电池中，需要采用的设备也相对简单。例如，它们可以溶解到溶剂中，直接喷涂到基底上面。

由钙钛矿结构组成的材料有望为太阳能电池设备带来一场革命，但是却具有一个严重的缺陷：它们通常很不稳定，在高温条件下性能会退化。这严重阻碍了它们的商用。

创新

日本冲绳科学技术大学院大学（OIST）能量材料与表面科学单位的研究人员，由Yabing Qi 教授领导，采用一种稳定、高效且相对便宜的钙钛矿材料开发出太阳能电池，同时也为这种钙钛矿材料未来在太阳能电池中的应用铺平了道路。

他们的研究论文最近发表于《先进能源材料（Advanced Energy Materials）》杂志。博士后学者 Jia Liang 博士和 Zonghao Liu 博士对这项研究作出了主要贡献。

（图片来源：OIST）

技术

这种材料具有几种关键特征。首先，它是完全无机的（一个重要的变化），因为有机成分通常不耐热，性能会在高温条件下退化。因为太阳能电池会在太阳光照射下变得过热，所以热稳定性显得非常关键。通过无机材料取代有机成分，钙钛矿太阳能电池会变得更加稳定。

如下图所示，这种全无机钙钛矿太阳能电池具有几层。底层是仅有几毫米厚的玻璃，第二层是透明导电材料FTO，接下来是由二氧化钛组成的电子活性层，第四层是光敏钙钛矿，顶层是碳。

（图片来源：OIST）

下图是钙钛矿太阳能电池的电子显微镜图像，它显示出不同的层。

（图片来源：OIST）

论文作者之一的 Zonghao Liu 博士说：“太阳能电池在暴露于光线中300小时后，几乎未发生改变。”

然而，所有的无机钙钛矿太阳能电池都比有机无机混合物的光线吸收率要低。第二个特征也由此而来：OIST的研究人员将新型电池与锰掺杂，以改善其性能。锰改变了材料的晶体结构，提升了光线吸收能力。Liu 表示：“就像你将盐放入一盘菜中来改变它的口味一样，当我们添加锰的时候，它改变了太阳能电池的特性。”

第三，在这些太阳能电池中，在太阳能电池之间传输电流的电极和外部电线都是由碳组成，而不是通常用的金。这些电极特别便宜且易于制造，一部分是由于它们能够直接印刷到太阳能电池中。从另外一方面说，制造金电极则需要高温条件以及真空室等特殊设备。

价值

（图片来源：OIST）

总结一下，这项研究开发出的钙钛矿太阳能电池具有几项优势：热稳定性好、光线吸收率高、制造工艺简单且成本低。因此，这项研究也为未来钙钛矿太阳能电池的大规模商用奠定了基础。

未来

在变成像硅太阳能电池一样的商用产品之前，钙钛矿太阳能电池仍有一系列的挑战需要克服。例如，钙钛矿太阳能电池可保持运行一到两年，而硅太阳能电池可运行达二十年。

为了改善这些新型电池的效率和持久性，Qi 及其同事们正努力工作，同时也在开发制造商用产品的工艺。2009年，首个太阳能电池被报道开发出来。此后，这项技术进展迅猛，这些新型电池的前景看上去很光明。

关键字

钙钛矿、电池、太阳能、材料

参考资料

【1】https://www.oist.jp/news-center/news/2018/4/27/bright-future-solar-cell-technology

【2】Jia Liang, Zonghao Liu, Longbin Qiu, Zafer Hawash, Lingqiang Meng, Zhifang Wu, Yan Jiang, Luis K. Ono, Yabing Qi. Enhancing
Optical, Electronic, Crystalline, and Morphological Properties of
Cesium Lead Halide by Mn Substitution for High-Stability All-Inorganic
Perovskite Solar Cells with Carbon Electrodes. Advanced Energy Materials, 2018; 1800504 DOI: 10.1002/aenm.201800504