鈣鈦礦太陽(yáng)能電池

如今化石燃料的使用造成環(huán)境問(wèn)題的日益加劇，可持續(xù)能源引起了人們的廣泛關(guān)注，太陽(yáng)能因其清潔環(huán)保成為研究的熱點(diǎn)，太陽(yáng)能電池是對(duì)太陽(yáng)能直接利用的方式之一。近年來(lái)，有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦電池因?yàn)榭焖僭鲩L(zhǎng)的轉(zhuǎn)換效率，優(yōu)異的器件性能以及獨(dú)特的光電性質(zhì)吸引著人們廣泛研究，最新的太陽(yáng)能電池認(rèn)證效率達(dá)到22.7%，已經(jīng)可以和傳統(tǒng)的硅基電池媲美。然而，鉛的毒性是限制其商業(yè)應(yīng)用的致命弱點(diǎn)。因此，尋找高效無(wú)鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是亟待解決的問(wèn)題。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池工作原理

在接受太陽(yáng)光照射時(shí)，鈣鈦礦層首先吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。由于鈣鈦礦材激子束縛能的差異，這些載流子或者成為自由載流子，或者形成激子。而且，因?yàn)檫@些鈣鈦礦材料往往具有較低的載流子復(fù)合幾率和較高的載流子遷移率，所以載流子的擴(kuò)散距離和壽命較長(zhǎng)。

激子生成示意圖這一奇妙的過(guò)程大致如圖：太陽(yáng)光入射到電池吸收層后隨即被吸收，光子的能量將原來(lái)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(huì)同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)額外的帶正電的對(duì)應(yīng)物，物理學(xué)上將其叫做空穴。這樣的一個(gè)“電子--空穴對(duì)”就是科學(xué)家們常說(shuō)的“激子”。激子被分離成電子與空穴后，分別流向電池的陰極和陽(yáng)極。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池量產(chǎn)進(jìn)展

鈣鈦礦作為一種人工合成材料，在 2009 年首次被嘗試應(yīng)用于光伏發(fā)電領(lǐng)域后，因?yàn)樾阅軆?yōu)異、成本低廉、商業(yè)價(jià)值巨大，從此大放異彩。近年，全球頂尖科研機(jī)構(gòu)和大型跨國(guó)公司，如牛津大學(xué)、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院、日本松下、夏普、東芝等都投入了大量人力物力，力爭(zhēng)早日實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

2017 年 2 月，纖納光電以 15.2%的轉(zhuǎn)換效率，首次打破此前長(zhǎng)期由日本保持的鈣鈦礦小組件的世界效率紀(jì)錄。此后，分別在當(dāng)年5 月和12 月，以 16%和 17.4%的轉(zhuǎn)換效率實(shí)現(xiàn)了一年三破世界紀(jì)錄的佳績(jī)。這一次，他們又將鈣鈦礦小組件轉(zhuǎn)換效率提升至 17.9%，穩(wěn)態(tài)輸出效率達(dá) 17.3%。該結(jié)果再一次證明了中國(guó)科學(xué)家在鈣鈦礦領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

鈣鈦礦太陽(yáng)電池發(fā)展現(xiàn)狀良好，但仍有若干關(guān)鍵因素可能制約鈣鈦礦太陽(yáng)電池的發(fā)展：比如：電池的穩(wěn)定性問(wèn)題。吸收層中含有可溶性重金屬Pb。現(xiàn)今鈣鈦礦應(yīng)用最廣的為旋涂法，但是旋涂法難于沉積大面積、連續(xù)的鈣鈦礦薄膜，故還需對(duì)其他方法進(jìn)行改進(jìn)，以期待能制備高效的大面積鈣鈦礦太陽(yáng)電池, 便于以后的商業(yè)化生產(chǎn)。鈣鈦礦太陽(yáng)電池的理論研究還有待增強(qiáng)。

近日，Nano Energy在線發(fā)表了北京大學(xué)物理學(xué)院人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室朱瑞研究員（通訊作者）團(tuán)隊(duì)的題為“Low-dimensional perovskite interlayer for highly efficient lead-free formamidinium tin iodide perovskite solar cells”的文章。北京大學(xué)物理學(xué)院博士研究生陳科和伍攀為該論文的共同第一作者。在這項(xiàng)研究工作中，研究者創(chuàng)新性地在無(wú)鉛鈣鈦礦吸光層和空穴傳輸層中間引入低維鈣鈦礦中間層，有效地改善了界面處鈣鈦礦薄膜的形貌并且減少了缺陷態(tài)，抑制了器件中載流子的積累和復(fù)合，最終得到效率高達(dá)7.05%的無(wú)鉛FASnI3鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。

注

介觀物理學(xué)是物理學(xué)中一個(gè)新的分支學(xué)科。“介觀（mesoscopic）”這個(gè)詞匯，由Van Kampen于1981年所創(chuàng)，指的是介乎于微觀和宏觀之間的尺度。介觀物理學(xué)所研究的物質(zhì)尺度和納米科技的研究尺度有很大重合，所以這一領(lǐng)域的研究常被稱為“介觀物理和納米科技”。