钙钛矿太阳能电池稳定性及发展前景

钙钛矿太阳能电池，科学家们在最新研究中发现，一种钙钛矿结构的有机太阳能电池的转化效率或可高达22.1%，为目前市场上太阳能电池转化效率的2倍，能大幅降低太阳能电池的使用成本。

尽管研究团队还没有演示以新材料为原料制造的高效太阳能电池，此项研究已成为此前诸多研究强有力的补充，证明了拥有独特晶体结构的钙钛矿有望改变太阳能产业的面貌。当前市场上占主流的太阳能电池以硅和碲化镉为材料，达到目前的转化效率历时10多年;而钙钛矿只花了短短4年时间的研究，有鉴于此，即使业界保守人士也对钙钛矿非常看好。

该研究的领导者、宾夕法尼亚大学能源创新研究中心联合主任安德鲁˙阿姆表示，以新式钙钛矿为原料制造的太阳能电池能将大约一半的太阳光直接转化为电力，为目前的2倍，因此，只需一半太阳能电池就可提供同样的电力，这将大大减少安装成本，从而让总成本显著降低。

另外，阿姆说，与传统太阳能电池材料不同，新材料并不需要电场来产生电流，这将减少所需材料的数量，产生的电压也更高，从而能增加能量产出;而且，新材料也能很好地对可见光做出反应，这对太阳能电池来说意义重大。

钙钛矿材料现在已经应用于太阳能电池、LED、激光器甚至催化等领域，俨然有成为“万能材料”的趋势。放眼望去，染料敏化太阳能电池的创始人Grätzel早早就在有机无机杂化钙钛矿领域抢占了一席之地，纳米大牛Paul Alivisatos（Nano Letters主编）、华人纳米大牛杨培东（JACS副主编）等等在无机钙钛矿领域也声名显赫……材料领域的老师们如今见面说的最多的一句话可能就是——“你们做钙钛矿了没？”貌似在材料界混，你不做钙钛矿就out了。今天我们解读的文章也与钙钛矿有关，涉及科学家们在钙钛矿太阳能电池（perovskite solar cells）稳定性上的重大突破。

在短短几年时间中，有机-无机杂化钙钛矿的薄膜太阳能电池已经取得了超过22%的能量转换效率。但是，其环境稳定性和光稳定性相对较差，一直是一个技术难点。目前的较佳解决方案是利用二维Ruddlesden-Popper钙钛矿制备薄膜，获得较高的稳定性。但是，该类钙钛矿太阳能电池的光电转换效率却非常低，之前最高只有4.73%。这主要是因为两层钙钛矿面板之间的有机阳离子阻挡了电荷的有效传输，起到绝缘空间层的作用，类似于两层中间夹杂了绝缘体，抑制了电荷的面外传输。

钙钛矿太阳能电池

最近，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）的Aditya D. Mohite课题组制备了一种接近单晶的二维钙钛矿薄膜。其无机钙钛矿成分的晶面相对于平面太阳能电池中的触点进行面外取向排列，有利于电荷传输，避免了之前二维钙钛矿的缺陷。未包封的二维钙钛矿器件，其光电转换效率能够在持续光照2250小时后仍保持在初始值的60%以上，而且能耐受65%的相对湿度，这些性能都大大超过了三维钙钛矿电池器件。当器件进行包封后，在连续光照或者潮湿环境中，效率没有出现明显降低。（High-efficiency two-dimensional Ruddlesden-Popper perovskite solar cells. Nature， 2016， DOI： 10.1038/nature18306）

二维钙钛矿的晶体结构及其薄膜的相关表征

在制备钙钛矿薄膜过程中，如果用相同的二维钙钛矿材料，使用传统的旋涂方法制备的器件，其效率只有3%-4%。而Mohite等人使用加热过的基板（110 ℃左右），得到了性能更好的钙钛矿薄膜。研究人员认为由于在热基板上甩膜，会形成优良的结晶，从而形成了连续的电荷传输通道，其电荷却不会被绝缘层而阻挡。如下图掠入射广角X射线散射（GIWAXS）图像所示，明显可以看出室温基板上旋涂的钙钛矿的结晶呈现无序型，而预热基板上旋涂的钙钛矿薄膜则呈现较好的结晶有序型。

GIWAXS图像。a） 在室温基板上旋涂的钙钛矿，b） 在加热的基版上旋涂的钙钛矿

之后作者将该材料应用于平面异质结的光伏器件中，得到了12.51%的最高效率，其中开路电压可以得到1.01V，这比正常三维钙钛矿制得的器件的开路电压（一般是0.7-0.9V）要高。

太阳能电池的相关光伏数据

之后作者研究了不同扫描方向以及不同电压延迟时间下电流针对电压的变化，发现在这些例子中均没有出现迟滞效应。随后，作者利用电容-电压测试探讨了其没有迟滞现象的原因。

含这种二维钙钛矿材料的太阳能电池的光稳定性及在潮湿环境中的稳定性相当出色，当器件进行包封后，在持续光照或者潮湿环境中（相对湿度65%），效率没有出现任何明显的降低（如下图）。

太阳能电池的稳定性