钙钛矿太阳能电池 光伏产业新方向

数十年里，几乎所有的太阳能技术，例如晶体硅晶片和碲化镉薄膜都有一个缓慢稳定的发展过程，同时也有技术能将太阳光线的14%能量转换为电力。但如今一个新竞争者脱颖而出：由名为钙钛矿的复杂晶体制成的太阳能电池。

2009年，这种电池悄然到来，当时其有效转换率为3.8%——这是一个乏味的结果，因为当时的顶级硅光电池在实验室中的转换率能达到25%。但是，到2011年年底，新电池的有效率翻了一番达到6.5%，去年攀升到10%，2013年，有效率为15%。这让人惊讶。以色列魏茨曼科学研究学院材料学家davidcahen说，在太阳能电池里，我们从未看到这样的结果。

这种电池的发展趋势越来越好。钙钛矿是由现成材料制成的，不像某些种类的太阳能电池，它们廉价而容易产生。专家认为，这种电池还有许多改进空间，明年效率能达到20%。钙钛矿太阳能电池还有潜力与硅电池板相结合，制造出效率达30%甚至更高的串联电池。

它在发展。美国斯坦福大学材料学家michaelmcgehee说。它非常具有竞争性。瑞士联邦理工学院化学家michaelgratzel说。战役在继续。它的发展非常迅速，我没有时间睡觉了。美国加州大学洛杉矶分校太阳能电池专家yangyang说。

正确方向

钙钛矿在1个多世纪前就摆在了太阳能电池制造者面前。1839年，一位俄罗斯矿物学家首次发现了这种矿物质的自然状态。目前，已知有数百种此类矿物质，太阳能电池钙钛矿属于半导体，其他家族成员从导体到绝缘体范围极为广泛，最着名的是高温氧化铜超导体。

上世纪90年代，ibm华生研究中心物理学家davidmitzi使用钙钛矿半导体制成了薄膜晶体管和发光二极管。这些装置能够工作。尽管许多发光材料也能制成良好的吸光器，但mitzi发现钙钛矿太不稳定而无法制作太阳能电池——材料必须能够持续数十年才有商业价值。

几乎在10年之后，tsutomumiyasaka朝着解决问题的方向迈出了第一步。日本桐荫横滨大学化学家miyasaka及同事致力于研究染色敏化太阳能电池（dsscs）。与传统的硅太阳能电池不同，dsscs包含有机吸光染料混合物，这些混合物为二氧化钛（tio2）等微小颗粒添加涂层，这些颗粒被电解液包围。

在标准dsscs里，当染色分子吸引光子时，光能够提高染色剂中电子的能量，使其跳到二氧化钛微粒上。在那里，它会从微粒跳到微粒，直至到达电极，然后被收集起来，送入电路中。同时，其他电子从电解质跳到染色剂，并使其恢复到初始状态。

gratzel表示，这里就有个麻烦。1991年gratzel研究小组发明了dsscs，但其染色剂不能吸收所有的光，因此降低了电池的能效。为了做得更好，miyasaka将注意力转向钙钛矿。他的研究小组花费了两年时间，寻找能使这种物质变稳定的秘方。他们使用了一层薄薄的吸光钙钛矿层，能效达3.8%。但不幸的是，这种电池也包含液体电解质，会在几分钟内溶解钙钛矿，以致电池失效。

之后，gratzel与韩国成均馆大学的nam-gyupark合作迈出了下一步。2012年，他们宣布使用固体取代了原来的液体，能效接近10%。现在，事情开始变得有趣。

越来越好

当其他技术还在为突破12%竞争时，钙钛矿太阳能电池为何能遥遥领先？cahen表示，正确答案的一部分是，钙钛矿有近乎完美的结晶度。这是砷化镓和晶体硅等顶级太阳能电池材料共有的特征。

在第二类电池材料中，这种晶体排列充斥着许多瑕疵。当电荷快速通过晶体陷入瑕疵时，它们通常会放弃额外的能量。制造无瑕疵的晶体通常需要超高的温度，或价值数百万美元的设备。但是钙钛矿能在80摄氏度下被制成，并能从溶液中简单沉淀析出近乎完美的形式。有一点美梦成真的感觉。cahen说。