用日益普及的廉价材料钙钛矿制成的一款太阳能电池将于明年上市。物理学家组织网11月9日报道称，这种电池捕获太阳能的平均效率在20%左右。近日《自然·材料》杂志上的一篇论文，详细报告了美国加利福尼亚大学伯克利分校与劳伦斯伯克利国家实验室科学家们的新设计，其实现了18.4%—21.7%的平均稳态效率，以及26%的峰值效率。这些数字创造了钙钛矿太阳能电池的新记录。

 

　　近一年来，钙钛矿型电池已经受到重量级期刊的广泛报道，媒体转载也是铺天盖地。

 

　　记者了解到，钙钛矿太阳能电池由有机分子和无机元素混合制成，能像常见的硅基太阳能电池一样捕获太阳光并转化成电，但钙钛矿光伏器件比硅更容易制造于柔性基板上。目前，市场上为绝大多数设备和家庭供电的多晶硅太阳能电池转化效率在10%—20%之间。虽然最纯净硅太阳能电池效率能达到25%，但造价异常昂贵。

 

　　论文第一作者奥努尔·俄基恩说：“它有潜力成为市场上最便宜的光伏发电设备，可以接入任何家庭太阳能系统。”

 

 

　　2009年，日本桐荫横滨大学的宫坂力教授将碘化铅甲胺和溴化铅甲胺应用于染料敏化太阳能电池，获得了最高3.8%的光电转化效率，此为钙钛矿光伏技术的起点。此后，钙钛矿太阳能电池的结构设计和配套材料等持续进步，在短短7年间效率就提高到了22.1%。

 

　　在光伏技术领域，如此迅速的技术飞跃是从来没有过的。以主流的多晶硅技术为例，1985年，多晶硅太阳能电池的实验室效率是15%左右，到2004年增长到20.4%，20年时间只增长了5个百分点；2004年到2015年，11年间只增长到20.6%，几乎没有任何进步。如图3所示，钙钛矿光伏技术在很短的时间内异军突起，迅速实现了对多晶硅技术的反超。目前钙钛矿太阳能电池的效率已经显著高于多晶硅，而且它的上升势头远未停止，在短时间内超过25%看来绝非难事。

 

　　为什么钙钛矿光伏技术能有如此迅速的进步呢？这主要是由钙钛矿材料本身的优异性能决定的。有机－无机复合型钙钛矿材料在光伏应用中的性能优势如下：

 

　　（1）CH3NH3PbI3类型的钙钛矿材料是直接带隙材料，这意味着钙钛矿具有很强的吸光能力。晶体硅是间接带隙材料，硅片必须达到150微米以上才能实现对入射光的饱和吸收。而钙钛矿仅需0.2微米就能实现饱和吸收，与硅的厚度相差近千倍，因此钙钛矿太阳能电池对活性材料的消耗远远小于晶体硅太阳能电池。

 

　　（2）钙钛矿材料具有很高的载流子迁移率。载流子迁移率反映的是光照下在材料中产生的正负电荷的移动速度，较高的迁移率意味着光照产生的电荷可以以更快的速度移动到电极上。

 

　　（3）钙钛矿材料的载流子迁移率近乎完全平衡，也就是说钙钛矿材料中电子和空穴的迁移率基本相同。作为对比，晶体硅的载流子迁移率就是不平衡的，它的电子迁移率远远大于空穴迁移率，其结果就是当入射光的光强高到一定程度时，电流的输出就会饱和，从而限制了硅太阳能电池在高光强下的光电转化效率。

 

　　（4）钙钛矿晶体中的载流子复合几乎完全是辐射型复合。这是钙钛矿材料的一个极其重要的优点。当钙钛矿中的电子和空穴发生复合时，会释放出一个新的光子，而这个光子又会被附近的钙钛矿晶体重新吸收。因此，钙钛矿对入射的光子有极高的利用效率，而且在光照下发热量很低。晶体硅中的载流子复合则几乎完全是非辐射复合，也就是说当晶体硅中的电子和空穴发生复合，它们所携带的能量就会转化成热，不可能被重新利用。正因为如此，钙钛矿的光电转化效率理论上限显著高于硅材料。目前单晶硅太阳能电池的最高效率为25.6%，这个效率纪录已经保持了多年，未来也不太可能有大的突破。钙钛矿的辐射型复合特性则使其完全有潜力达到和砷化镓太阳能电池一样高的效率水平，达到甚至突破29%。

 

　　（5）钙钛矿材料可溶解。这样钙钛矿材料就可以配制成溶液，像涂料一样涂布在玻璃基板上。对于高效率太阳能电池来说，钙钛矿的溶解性是一个前所未有的优势，在效率超过20%的电池材料中只有钙钛矿是可溶的。几年前Nanosolar曾经用涂布法生产过CIGS太阳能电池，但CIGS材料并不可溶，他们是将CIGS粉末颗粒分散到液体中，所以这样的涂布方法并不能促进晶体的生长。而真正可溶的钙钛矿材料，通过涂布法成膜并从溶液中析出的过程就是一个自发结晶的过程，这对于高性能太阳能电池的制作是一个巨大的便利。