钙钛矿电池：太阳能产业新星？

导言：美国国家可再生能源实验室（NationalRenewableEnergyLaboratory，NREL）公布了截止2014年初各类太阳能电池转换效率的最高纪录。目前转换效率的最高记录是由夏普生产的聚光型三结太阳能电池创造的，高达44.4%。而本文要介绍的钙钛矿太阳能电池在统计时是17.9%，但实际上目前钙钛矿太阳能电池转换效率已被提高到了19.3%。

从2009年到2014年的短短5年间，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从3.8%一下子跃升至19.3%，提高了5倍。其效率进步之快，成本之便宜，生产之容易，以至于被《科学》期刊评为2013年的10大科学突破之一。

那么钙钛矿电池到底是什么？为何能出现如此大的研究影响力呢？它真的是太阳能电池产业中的黑马吗？

1、钙钛矿是什么？

（在俄罗斯库萨发现的钙钛矿矿石，藏于哈佛自然历史博物馆Credit:La2O3（CCBY-SA3.0license））

钙钛矿，英文名perovskite，是一种普通的金属有机化合物晶体，重要成分是钛酸钙（CaTiO3）。1839年德国矿物雪茄古斯塔夫？罗斯（GustavRose）在俄罗斯中部境内的乌拉尔山脉上发现了一块特殊的岩石样本，于是决定以他心中所崇拜的伟大地质学家LevPerovsk来明明这个矿石。

不过后来我们普遍指的钙钛矿电池（全称：钙钛矿型甲胺铅碘薄膜太阳能电池）并不是用这个矿石材料制成的，而是使用了与钙钛矿晶体结构相似的化合物。

2、钙钛矿的晶体结构：

（钙钛矿晶体结构示意图）

钙钛矿的结构是ABX3的形式。这种结构在每个角共享一个BX6正八面体，其中B是金属阳离子（Sn2+或Pb2+），X是一价阴离子（Cl-，Br-或I-）。钙钛矿中的阳离子A被用来抵消电荷使材料达到电中性，它可以是半径较大硷金属离子等，甚至可以是一个分子。

这种奇特的晶体结构让它具备了很多独特的理化性质，比如吸光性、电催化性等等，在化学、物理领域有不小的应用。钙钛矿大家族里现已包括了数百种物质，从导体、半导体到绝缘体，范围极为广泛，其中很多是人工合成的。太阳能电池中用到的钙钛矿（CH3NH3PbI3、CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbCl3等）属于半导体，有良好的吸光性。