了解钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池

如今化石燃料的使用造成环境问题的日益加剧，可持续能源引起了人们的广泛关注，太阳能因其清洁环保成为研究的热点，太阳能电池是对太阳能直接利用的方式之一。近年来，有机无机杂化钙钛矿电池因为快速增长的转换效率，优异的器件性能以及独特的光电性质吸引着人们广泛研究，最新的太阳能电池认证效率达到22.7%，已经可以和传统的硅基电池媲美。然而，铅的毒性是限制其商业应用的致命弱点。因此，寻找高效无铅钙钛矿太阳能电池是亟待解决的问题。

钙钛矿太阳能电池工作原理

在接受太阳光照射时，钙钛矿层首先吸收光子产生电子-空穴对。由于钙钛矿材激子束缚能的差异，这些载流子或者成为自由载流子，或者形成激子。而且，因为这些钙钛矿材料往往具有较低的载流子复合几率和较高的载流子迁移率，所以载流子的扩散距离和寿命较长。

激子生成示意图这一奇妙的过程大致如图：太阳光入射到电池吸收层后随即被吸收，光子的能量将原来束缚在原子核周围的电子激发，使其形成自由电子。由于物质整体上必须保持电中性，电子被激发后就会同时产生一个额外的带正电的对应物，物理学上将其叫做空穴。这样的一个“电子--空穴对”就是科学家们常说的“激子”。激子被分离成电子与空穴后，分别流向电池的阴极和阳极。

钙钛矿太阳能电池量产进展

钙钛矿作为一种人工合成材料，在 2009 年首次被尝试应用于光伏发电领域后，因为性能优异、成本低廉、商业价值巨大，从此大放异彩。近年，全球顶尖科研机构和大型跨国公司，如牛津大学、瑞士洛桑联邦理工学院、日本松下、夏普、东芝等都投入了大量人力物力，力争早日实现量产。

2017 年 2 月，纤纳光电以 15.2%的转换效率，首次打破此前长期由日本保持的钙钛矿小组件的世界效率纪录。此后，分别在当年5 月和12 月，以 16%和 17.4%的转换效率实现了一年三破世界纪录的佳绩。这一次，他们又将钙钛矿小组件转换效率提升至 17.9%，稳态输出效率达 17.3%。该结果再一次证明了中国科学家在钙钛矿领域的技术领先优势。

钙钛矿太阳电池发展现状良好，但仍有若干关键因素可能制约钙钛矿太阳电池的发展：比如：电池的稳定性问题。吸收层中含有可溶性重金属Pb。现今钙钛矿应用最广的为旋涂法，但是旋涂法难于沉积大面积、连续的钙钛矿薄膜，故还需对其他方法进行改进，以期待能制备高效的大面积钙钛矿太阳电池, 便于以后的商业化生产。钙钛矿太阳电池的理论研究还有待增强。

近日，Nano Energy在线发表了北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室朱瑞研究员（通讯作者）团队的题为“Low-dimensional perovskite interlayer for highly efficient lead-free formamidinium tin iodide perovskite solar cells”的文章。北京大学物理学院博士研究生陈科和伍攀为该论文的共同第一作者。在这项研究工作中，研究者创新性地在无铅钙钛矿吸光层和空穴传输层中间引入低维钙钛矿中间层，有效地改善了界面处钙钛矿薄膜的形貌并且减少了缺陷态，抑制了器件中载流子的积累和复合，最终得到效率高达7.05%的无铅FASnI3钙钛矿太阳能电池。

注

介观物理学是物理学中一个新的分支学科。“介观（mesoscopic）”这个词汇，由Van Kampen于1981年所创，指的是介乎于微观和宏观之间的尺度。介观物理学所研究的物质尺度和纳米科技的研究尺度有很大重合，所以这一领域的研究常被称为“介观物理和纳米科技”。