鈣鈦礦太陽能電池，科學(xué)家們在最新研究中發(fā)現(xiàn)，一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率或可高達(dá)22.1%，為目前市場上太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的2倍，能大幅降低太陽能電池的使用成本。

盡管研究團(tuán)隊(duì)還沒有演示以新材料為原料制造的高效太陽能電池，此項(xiàng)研究已成為此前諸多研究強(qiáng)有力的補(bǔ)充，證明了擁有獨(dú)特晶體結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦有望改變太陽能產(chǎn)業(yè)的面貌。當(dāng)前市場上占主流的太陽能電池以硅和碲化鎘為材料，達(dá)到目前的轉(zhuǎn)化效率歷時(shí)10多年;而鈣鈦礦只花了短短4年時(shí)間的研究，有鑒于此，即使業(yè)界保守人士也對(duì)鈣鈦礦非常看好。

該研究的領(lǐng)導(dǎo)者、賓夕法尼亞大學(xué)能源創(chuàng)新研究中心聯(lián)合主任安德魯˙阿姆表示，以新式鈣鈦礦為原料制造的太陽能電池能將大約一半的太陽光直接轉(zhuǎn)化為電力，為目前的2倍，因此，只需一半太陽能電池就可提供同樣的電力，這將大大減少安裝成本，從而讓總成本顯著降低。

另外，阿姆說，與傳統(tǒng)太陽能電池材料不同，新材料并不需要電場來產(chǎn)生電流，這將減少所需材料的數(shù)量，產(chǎn)生的電壓也更高，從而能增加能量產(chǎn)出;而且，新材料也能很好地對(duì)可見光做出反應(yīng)，這對(duì)太陽能電池來說意義重大。

鈣鈦礦材料現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用于太陽能電池、LED、激光器甚至催化等領(lǐng)域，儼然有成為“萬能材料”的趨勢。放眼望去，染料敏化太陽能電池的創(chuàng)始人Grätzel早早就在有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦領(lǐng)域搶占了一席之地，納米大牛paulAlivisatos（NanoLetters主編）、華人納米大牛楊培東（JACS副主編）等等在無機(jī)鈣鈦礦領(lǐng)域也聲名顯赫……材料領(lǐng)域的老師們?nèi)缃褚娒嬲f的最多的一句話可能就是“你們做鈣鈦礦了沒？”貌似在材料界混，你不做鈣鈦礦就out了。今天我們解讀的文章也與鈣鈦礦有關(guān)，涉及科學(xué)家們在鈣鈦礦太陽能電池（perovskitesolarcells）穩(wěn)定性上的重大突破。

在短短幾年時(shí)間中，有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦的薄膜太陽能電池已經(jīng)取得了超過22%的能量轉(zhuǎn)換效率。但是，其環(huán)境穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性相對(duì)較差，一直是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。目前的較佳解決方案是利用二維Ruddlesden-popper鈣鈦礦制備薄膜，獲得較高的穩(wěn)定性。但是，該類鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率卻非常低，之前最高只有4.73%。這主要是因?yàn)閮蓪逾}鈦礦面板之間的有機(jī)陽離子阻擋了電荷的有效傳輸，起到絕緣空間層的作用，類似于兩層中間夾雜了絕緣體，抑制了電荷的面外傳輸。

鈣鈦礦太陽能電池

最近，美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室（LosAlamosNaTIonalLaboratory）的AdityaD.Mohite課題組制備了一種接近單晶的二維鈣鈦礦薄膜。其無機(jī)鈣鈦礦成分的晶面相對(duì)于平面太陽能電池中的觸點(diǎn)進(jìn)行面外取向排列，有利于電荷傳輸，避免了之前二維鈣鈦礦的缺陷。未包封的二維鈣鈦礦器件，其光電轉(zhuǎn)換效率能夠在持續(xù)光照2250小時(shí)后仍保持在初始值的60%以上，而且能耐受65%的相對(duì)濕度，這些性能都大大超過了三維鈣鈦礦電池器件。當(dāng)器件進(jìn)行包封后，在連續(xù)光照或者潮濕環(huán)境中，效率沒有出現(xiàn)明顯降低。（High-efficiencytwo-dimensionalRuddlesden-popperperovskitesolarcells.Nature，2016，DOI：10.1038/nature18306）

二維鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)及其薄膜的相關(guān)表征

在制備鈣鈦礦薄膜過程中，如果用相同的二維鈣鈦礦材料，使用傳統(tǒng)的旋涂方法制備的器件，其效率只有3%-4%。而Mohite等人使用加熱過的基板（110℃左右），得到了性能更好的鈣鈦礦薄膜。研究人員認(rèn)為由于在熱基板上甩膜，會(huì)形成優(yōu)良的結(jié)晶，從而形成了連續(xù)的電荷傳輸通道，其電荷卻不會(huì)被絕緣層而阻擋。如下圖掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）圖像所示，明顯可以看出室溫基板上旋涂的鈣鈦礦的結(jié)晶呈現(xiàn)無序型，而預(yù)熱基板上旋涂的鈣鈦礦薄膜則呈現(xiàn)較好的結(jié)晶有序型。

GIWAXS圖像。a）在室溫基板上旋涂的鈣鈦礦，b）在加熱的基版上旋涂的鈣鈦礦

之后作者將該材料應(yīng)用于平面異質(zhì)結(jié)的光伏器件中，得到了12.51%的最高效率，其中開路電壓可以得到1.01V，這比正常三維鈣鈦礦制得的器件的開路電壓（一般是0.7-0.9V）要高。

太陽能電池的相關(guān)光伏數(shù)據(jù)

之后作者研究了不同掃描方向以及不同電壓延遲時(shí)間下電流針對(duì)電壓的變化，發(fā)現(xiàn)在這些例子中均沒有出現(xiàn)遲滯效應(yīng)。隨后，作者利用電容-電壓測試探討了其沒有遲滯現(xiàn)象的原因。

含這種二維鈣鈦礦材料的太陽能電池的光穩(wěn)定性及在潮濕環(huán)境中的穩(wěn)定性相當(dāng)出色，當(dāng)器件進(jìn)行包封后，在持續(xù)光照或者潮濕環(huán)境中（相對(duì)濕度65%），效率沒有出現(xiàn)任何明顯的降低（如下圖）。

太陽能電池的穩(wěn)定性