主办单位：中国科普博览会、中国科学院计算机网络信息中心

近日，中国科学院合肥物质科学研究院应用技术研究所孔繁泰研究团队在小分子有机空穴传输材料方面取得一系列进展。 相关研究成果发表在ChemSusChem、ElsevierDyes and Pigments、英国皇家化学学会RSC Advances等杂志上。 。

你可能要问，这篇读起来非常难的研究有什么用呢？

该材料已被证明在钙钛矿太阳能电池中具有非常好的应用潜力。

ETC！ 怎么又要一口了？ 什么是钙钛矿太阳能电池？

第三代太阳能电池

我们都知道太阳能电池是一种可以直接将光能转化为电能的装置。 在追求清洁能源的背景下，已经形成了相当的产业规模。

事实上，太阳能电池的发展过程经历了三个阶段：

图 1 各种类型的太阳能电池。

(a) 单晶硅太阳能电池； (b) 薄膜太阳能电池； （c）钙钛矿太阳能电池。

第一代太阳能电池主要基于单晶硅。

在荒野和沙漠中开云手机平台，大家记忆中的太阳能电池板通常都是由这种晶体硅材料制成的。 然而制造高纯硅面临成本高、能耗高等问题，严重制约了硅基太阳能电池的商业应用范围。

第二代太阳能电池主要是指薄膜太阳能电池。

以非晶硅、铜铟镓硒薄膜、碲化镉薄膜为代表。 此类太阳能电池的最大优点是成本低廉，但缺点是效率低且性能随使用时间下降。

第三代太阳能电池也称为新概念太阳能电池，就是我们今天重点介绍的钙钛矿太阳能电池。

其实我不含钙或钛

人们在开发新材料时有两个重要的考虑因素：一是成本，二是效率。

图2 不同类型太阳能电池的成本与其光电转换效率的关系

从上图可以看出，如果能够将电池的光电转换效率提高到20%以上，则电池的供电成本可能会显着降低。

因此，进一步提高转换效率成为第三代太阳能电池发展的关键。

近年来，钙钛矿太阳能电池的研究不断刷新光电转换效率新纪录，目前已超过22%。

虽然光伏产业90%以上的年产能来自晶硅电池，但钙钛矿太阳能电池因其诸多优异的性能而受到越来越多的人青睐，源源不断地投入人力、物力于相关领域。项目。 在研究过程中，钙钛矿太阳能电池的巨大魅力逐渐展现在人们面前。

有趣的是，钙钛矿太阳能电池中不含钙或钛。

事实上，它的名字来源于光吸收层材料：钙钛矿型物质。

钙钛矿以俄罗斯矿物学家佩罗夫斯基的名字命名。 它最初是指矿物钛酸钙（CaTiO3）。 后来，具有类似结构的晶体统称为钙钛矿矿物。

钙钛矿太阳能电池中常用的光吸收层材料是甲基铵铅碘（CH3NH3PbI3）。 由于材料CH3NH3PbI3同时含有无机成分和有机分子团，人们也将这类太阳能电池称为混合钙钛矿太阳能电池。

图3 钙钛矿矿物的原子结构

(a) 钛酸钙(GaTiO3)晶体的原子结构； （b）钙钛矿太阳能中光吸收层材料甲胺铅碘（CH3NH3PbI3）晶体的原子结构。

光电转换效率高

如果我们想了解钙钛矿太阳能电池高效率和普及背后的秘密，就不得不谈谈它的光吸收和能量转换的原理。

图4 激子产生示意图

这个奇妙的过程大致如下：

阳光照射到电池的吸收层后立即被吸收。 光子的能量激发最初束缚在原子核周围的电子，使它们形成自由电子。

由于物质整体必须保持电中性，当一个电子被激发时开云官方app下载站，会同时产生一个额外的带正电的对应物kaiyun开云官方网站，这在物理学上称为空穴。 这样的“电子空穴对”就是科学家们常说的“激子”。

图5 钙钛矿太阳能电池结构及工作机理示意图

激子分离成电子和空穴后，分别流向电池的正极和负极。

带负电的自由电子穿过电子传输层到达玻璃基板，然后穿过外电路到达金属电极。 带正电的空穴扩散到空穴传输层中并最终到达金属电极。 在这里，空穴和电子重新结合，电流形成回路，完成电能的输送。

钙钛矿太阳能电池将光吸收过程与电流传输过程分开。 一种介质只负责传输一种类型的电荷，避免了硅基和薄膜太阳能电池载流子复合率高、载流子寿命短的缺点。 因此，钙钛矿太阳能电池具有较高的光电转换效率。

使用钙钛矿作为吸光材料，不仅可以大大减少所需的材料厚度，而且还能保持良好的吸光能力。

从光吸收层的厚度来看云开·体育appkaiyun，第一代和第二代太阳能电池分别需要300微米和2微米左右的厚度； 而钙钛矿太阳能电池，光吸收层小于0.4微米即可获得20%以上的光吸收层。 光电转换效率。 而且它的光吸收系数非常大，其光吸收能力比传统染料高一个数量级，对紫外到近红外的光子都有良好的吸收能力。

此外，钙钛矿太阳能电池是一种三组分材料。 ABX的每个位置都有三种元素可供选择，因此这种材料具有无限的操控空间，这种结构也具有无限的可能性。

没有近乎完美的材料

尽管钙钛矿太阳能电池有很多优点，但它们并不完美。 我们也必须正视其不足之处，以利于我们今后的改进工作。

首先，此类电池的不稳定问题尚未解决。

传统晶体硅电池的寿命一般可达25年。 然而，2009年第一块钙钛矿太阳能电池的寿命仅为3分钟。 截至目前，其寿命仅为1000小时。

随着钙钛矿太阳能电池效率的突破，人们越来越意识到电池的长期稳定性是其能否大规模民用的决定性因素。

其次，它有毒。

当今性能最好的钙钛矿电池材料含有铅，这种元素对人体和环境极其有害。

铅可能在使用过程中渗出，污染水和土壤。

最后，目前在实验室制造的大多数钙钛矿太阳能电池尺寸都很小，最大的只有几平方厘米。 难以生产较大的连续薄膜，这阻碍了大面积器件的制备。

图6 钙钛矿太阳能电池光电转换效率历年快速增长趋势。

尽管钙钛矿太阳能电池的研发遇到了诸多困难，但近年来该领域的快速发展已初步展现出潜在的商业化前景。

自2009年钙钛矿结构材料首次应用于光伏技术以来，短短六七年的时间，在科研人员的努力下，其光电转换效率从3%提高到22%。

美国有科学家预测，采用新型钙钛矿为原料的太阳能电池转换效率可能高达50%，是目前市场上太阳能电池转换效率的两倍，这将大幅降低太阳能成本细胞。 难怪世界顶级学术杂志《Science》将钙钛矿太阳能电池评为年度十大科技进展之一。

钙钛矿太阳能电池的光电转换效率能否达到理论预估的50%？ 钙钛矿太阳能电池距离真正民用还有多远？ 能否像硅晶太阳能电池一样得到广泛应用？ 让我们等着看。