出品：科學(xué)大院
作者：林風(fēng)（南方科技大學(xué)）
監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心 中國科普博覽
近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院應(yīng)用技術(shù)研究所孔凡太研究團(tuán)隊在小分子有機(jī)空穴傳輸材料方面取得系列進(jìn)展，相關(guān)研究結(jié)果分別發(fā)表在ChemSusChem、ElsevierDyes and Pigments，以及英國皇家化學(xué)會的RSC Advances上。
你可能想問，這項讀起來很拗口的研究，究竟有什么用呢？
這種材料目前已經(jīng)被證明在鈣鈦礦太陽能電池中有非常好的應(yīng)用潛力。
等等！怎么又來一個拗口的，鈣鈦礦太陽能電池又是什么？
第三代太陽能電池
我們都知道，太陽能電池是一種可以直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。在追求清潔能源的大背景下，它已經(jīng)形成了相當(dāng)大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。
實際上，太陽能電池的發(fā)展過程經(jīng)歷了三個階段：
圖1 各類太陽能電池。
（a）單晶硅太陽能電池；（b）薄膜太陽能電池；（c）鈣鈦礦太陽能電池。
第一代太陽能電池主要是基于單晶硅。
荒原上，沙漠中，大家印象中的太陽能電池板，通常都是用這類晶體硅材料制成的。不過制造高純硅面臨著造價高、耗能高等難題，這嚴(yán)重制約了硅基太陽能電池的商業(yè)應(yīng)用范圍。
第二代太陽能電池主要指薄膜太陽能電池。
它以非晶硅、銅銦鎵硒薄膜、碲化鎘薄膜為代表。這類太陽能電池最大的優(yōu)點為成本低，缺點則是效率低，性能隨使用時間的增長而衰退。
第三代太陽能電池，也稱作新概念太陽能電池，就是今天要重點介紹的鈣鈦礦太陽能電池。
其實，我不含鈣，也不含鈦
人們在開發(fā)新材料時有兩大重要考量：一個是成本，一個是效率。
圖2 不同類型的太陽能電池的成本與其光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系
從上面這張圖中可以看出，如果電池的光電轉(zhuǎn)換效率能提高到20%以上，電池的供電成本就有大幅度下降的可能。
因此，進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率成為第三代太陽能電池發(fā)展的關(guān)鍵。
近幾年，鈣鈦礦太陽能電池的研究不斷刷新了光電轉(zhuǎn)化效率的紀(jì)錄，目前已經(jīng)超過22%了。
雖然現(xiàn)在每年光伏產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能的90%以上都來自晶硅電池，但是由于鈣鈦礦太陽能電池的優(yōu)良特性眾多，越來越多的人對它青睞有加，源源不斷的人力、物力都投入到了相關(guān)研究當(dāng)中，鈣鈦礦太陽能電池巨大的魅力也逐漸展現(xiàn)在了人們面前。
有趣的是，鈣鈦礦太陽能電池中并沒有鈣元素，也沒有鈦元素。
其實，它得名于其中的吸光層材料：一種鈣鈦礦型物質(zhì)。
鈣鈦礦是以俄羅斯礦物學(xué)家Perovski的名字命名的，最初單指鈦酸鈣（CaTiO3）這種礦物，后來把結(jié)構(gòu)與之類似的晶體統(tǒng)稱為鈣鈦礦物質(zhì)。
鈣鈦礦太陽能電池中常用的光吸收層物質(zhì)是甲氨鉛碘（CH3NH3PbI3），由于CH3NH3PbI3這種材料中既含有無機(jī)的成分，又含有有機(jī)分子基團(tuán)，所以人們也將這類太陽能電池稱作雜化鈣鈦礦太陽能電池。
圖3 鈣鈦礦物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)
(a)鈦酸鈣（GaTiO3）晶體的原子結(jié)構(gòu)；(b)鈣鈦礦太陽能中吸光層物質(zhì)甲氨鉛碘（CH3NH3PbI3）晶體的原子結(jié)構(gòu)。
光電轉(zhuǎn)換效率高
想要了解鈣鈦礦太陽能電池具有高效性能、備受人們青睞的秘密所在，我們就不得不說說它的光吸收與能量轉(zhuǎn)化的原理了。
圖4 激子生成示意圖
這一奇妙的過程大致如下：
太陽光入射到電池吸收層后隨即被吸收，光子的能量將原來束縛在原子核周圍的電子激發(fā)，使其形成自由電子。
由于物質(zhì)整體上必須保持電中性，電子被激發(fā)后就會同時產(chǎn)生一個額外的帶正電的對應(yīng)物，物理學(xué)上將其叫做空穴。這樣的一個“電子--空穴對”就是科學(xué)家們常說的“激子”。
圖5 鈣鈦礦太陽能電池的構(gòu)造與運行機(jī)理示意圖
激子被分離成電子與空穴后，分別流向電池的陰極和陽極。
帶負(fù)電的自由電子經(jīng)過電子傳輸層到玻璃基底，然后經(jīng)外電路到達(dá)金屬電極。帶正電的空穴擴(kuò)散到空穴傳輸層，最終也到達(dá)金屬電極。在此處，空穴與電子復(fù)合，電流形成一個回路，完成電能的運輸。
鈣鈦礦太陽能電池把光吸收過程與電流運輸過程分離，一種介質(zhì)只負(fù)責(zé)運輸一種電荷，避免了硅基、薄膜太陽能電池中載流子復(fù)合率高、載流子壽命短的缺點，所以鈣鈦礦太陽能電池具有高效的光電轉(zhuǎn)換效率。
將鈣鈦礦作為光吸收材料，不僅可以大大減小所需的材料厚度，同時還能保持較好的光吸收能力
就光吸收層厚度而言，第一代和第二代太陽能電池分別需要大概300和2微米的厚度；而鈣鈦礦太陽能電池以不到0.4微米的光吸收層，就能獲得超過20%的光電轉(zhuǎn)換效率。而且它的吸光系數(shù)很大，吸光能力比傳統(tǒng)染料高一個數(shù)量級，對紫外到近紅外的光子都具有良好的吸收能力。
另外，鈣鈦礦太陽能電池是一個三元組份的材料，在ABX每個位置上共有三種元素可以選擇，所以這種材料有著無限的操控的空間，這種結(jié)構(gòu)也有著無限的可能性。
沒有幾近完美的材料
雖然鈣鈦礦太陽能電池有著許許多多的優(yōu)點，但它也不是完美的，我們也必須面對它的不足之處，這樣才有利于我們今后的改進(jìn)工作。
首先，目前人們還沒有解決此類電池的不穩(wěn)定性問題。
傳統(tǒng)晶硅電池壽命一般可達(dá)到25年，而2009年第一塊鈣鈦礦太陽能電池的壽命只有3分鐘，發(fā)展到現(xiàn)在，其壽命也僅為1000小時。
隨著鈣鈦礦太陽能電池效率取得了突破性進(jìn)展，人們越來越認(rèn)識到電池的長期穩(wěn)定性是其是否能大規(guī)模民用化應(yīng)用的決定性因素。
其次，有毒。
現(xiàn)在性能最好的鈣鈦礦電池材料都含有鉛，這是一種對人體和環(huán)境有極大危害的元素。
在使用過程中鉛可能會滲出，污染水源和土壤。
最后，目前實驗室里制造的大部分鈣鈦礦太陽能電池的尺寸都很微小，最大的也僅幾平方厘米，很難生產(chǎn)較大的連續(xù)膜，導(dǎo)致制備大面積器件受阻。
圖6 歷年來鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的迅猛增長趨勢。
雖然，鈣鈦礦太陽能電池的研發(fā)遇到了諸多困難，但是，近幾年這一領(lǐng)域的快速發(fā)展使其開始初步顯示出潛在的商業(yè)化前景。
鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料自2009年首次應(yīng)用于光伏技術(shù)以來，短短六七年時間，在廣大科研人員的努力下，它的光電轉(zhuǎn)化效率就已經(jīng)從3%提高到22%。
美國有的科學(xué)家預(yù)測，以新型鈣鈦礦為原料的太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率或可高達(dá)50%，為目前市場上太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的2倍，這將大幅降低太陽能電池的使用成本。也難怪世界頂級學(xué)術(shù)雜志Science會把鈣鈦礦太陽能電池評為該年度的十大科技進(jìn)展之一。
究竟鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率能否達(dá)到理論預(yù)估的50%？鈣鈦礦太陽能電池距離真正的民用還有多遠(yuǎn)？能否如同硅晶太陽能電池那樣得到廣泛使用呢？讓我們拭目以待吧。
聯(lián)系客服
