当前太阳能电池中的光电【diàn】材料普遍使用的是硅材【cái】料，硅电池【chí】的光电能量【liàng】转【zhuǎn】换效率较【jiào】高【gāo】，但【dàn】它【tā】的【de】制作成本也高【gāo】，而且在制【zhì】作过程中需要【yào】消耗大量化石【shí】能源【yuán】、产生污染环境【jìng】的化【huà】学物质，于是发展新一【yī】代【dài】低成本太阳能电池成为了各国科学家为之奋斗的目标。
钙钛矿材料自2009年首次应用于光伏发电后，在【zài】短【duǎn】短几年时间里，实【shí】验室中光电转换效率【lǜ】就已经从3％提高到【dào】了20％，被视为极具竞争【zhēng】力、最有希望实现【xiàn】低成本发电的光【guāng】伏【fú】技【jì】术之一。
钙钛矿电池成本只有一般太阳能电池的1/5
1839年【nián】，一【yī】位俄罗斯矿物学家在俄罗【luó】斯乌拉尔山【shān】脉发现了钙钛矿，人们就【jiù】以【yǐ】他的【de】名字【zì】命名了钙【gài】钛矿【kuàng】，最初单指钛酸【suān】钙这【zhè】种矿【kuàng】物，后来把结构【gòu】与之类似的晶体统称为钙钛矿物质。随后人们发现钙钛矿非常适用于【yú】光伏领域，由于其【qí】所需【xū】的原材料【liào】储【chǔ】量丰富，制备工艺【yì】简单且可【kě】以采用低温、低成本的工艺实现高品【pǐn】质的【de】薄膜产品，从而【ér】拥有诱人的前【qián】景。这些有着高【gāo】质量晶体结构【gòu】的【de】薄膜甚至可【kě】以与在高温下以高成本【běn】获得的硅【guī】片【piàn】的【de】晶体质量媲美，实现柔性化和"卷对卷【juàn】"式的规模化生【shēng】产。
钙钛矿电池【chí】是如何制作的？简【jiǎn】单来讲，工【gōng】程师【shī】只要溶液把【bǎ】钙钛【tài】矿身上【shàng】的有机【jī】物和【hé】无机物溶化，调配【pèi】成一种【zhǒng】特殊的"墨水"，然后，将"墨水"均匀地刷到导电【diàn】玻璃上，印刷三到四次后【hòu】进【jìn】行【háng】沉积【jī】，一块【kuài】钙钛矿太阳能电池就形成了。并【bìng】且由于材料便【biàn】宜，工艺简单，成品价格就有【yǒu】下降的空间。
目【mù】前，世界上【shàng】主要有3种类型的【de】太阳能电池，它们【men】的【de】转化【huà】效率都高【gāo】，但造价也高。一种是最"高贵"的多结【jié】太阳【yáng】能电池。这种电池用于卫星、无人机等，光电转换【huàn】效率高【gāo】达46%，造【zào】价昂贵。二种【zhǒng】是最常见的晶硅太阳【yáng】能【néng】电池【chí】。用它做成的光【guāng】伏发电面【miàn】板随处可见，光【guāng】电【diàn】转换效率约在18%，每【měi】平方【fāng】米造价为500元【yuán】至700元。三种是薄膜太阳能电池。它的【de】特点是薄，厚【hòu】度为晶硅电池【chí】的1/10，转换效率【lǜ】约为10%-12%。
根据华【huá】中【zhōng】科【kē】技大【dà】学【xué】印刷介观太阳能电池材料与器件团队【duì】的研究成果显示，太阳能【néng】电池造价居高不下【xià】，是光伏发电推广难的【de】一个主要原因，比【bǐ】如现在市【shì】面上推【tuī】出的一【yī】种【zhǒng】分布式【shì】薄膜太【tài】阳能产品"汉瓦"，可【kě】直接铺在屋顶上，其定价为1390元/平方米，如果采用钙钛矿电池，每平米预【yù】计成本【běn】只有当【dāng】前的【de】1/5。
稳定性是最致命的弱点
尽管钙钛【tài】矿【kuàng】电池的科【kē】研工作取得了可喜【xǐ】的成绩，但是在【zài】进行【háng】商业运转之前还必【bì】须先【xiān】解决一些难题【tí】，首先电池含毒，钙钛矿电池材料含有铅，而美国西【xī】北大学也已研【yán】发出一种用锡【xī】代替铅的钙钛矿太阳能电【diàn】池【chí】，不【bú】过这【zhè】种电池【chí】的转换效率还只【zhī】有6％，目【mù】前处于研发初级【jí】阶【jiē】段，效率还有【yǒu】提【tí】升空【kōng】间；其次电【diàn】池性经能不稳【wěn】定，钙钛矿中的铅容易氧化挥发，而当晶体遇水时则易【yì】分解。如果我们使用钙钛矿电【diàn】池【chí】发电【diàn】，它【tā】很有可能渗出流到屋顶【dǐng】或土壤中【zhōng】；最后【hòu】电池寿命不【bú】长，目前，由华中科技大【dà】学和洛桑联【lián】邦理工【gōng】学院合【hé】作研【yán】发的的【de】钙钛矿太【tài】阳能电池寿命【mìng】最长可达【dá】到1000小时，而传【chuán】统晶硅电池寿命一般可达【dá】到25年【nián】，比钙钛矿电池长得【dé】多。
在钙钛【tài】矿【kuàng】太阳【yáng】能【néng】电池【chí】的诸多难题中，稳定性是最致【zhì】命【mìng】的弱点。由【yóu】于钙钛矿对潮湿环境【jìng】敏【mǐn】感，暴露在潮湿【shī】空气中会很快分解【jiě】，因此必须对其进行防水封装。
关于如何解决稳定【dìng】性的【de】难题【tí】，来自英国牛津、剑桥和巴斯大学、美国麻省理工和荷兰代【dài】尔夫特【tè】工业【yè】大学的联【lián】合研究【jiū】团队【duì】发现，通过谨慎使用光和【hé】湿【shī】度，晶体钙钛矿结构的缺陷可以被永久【jiǔ】修复。研究团队制造【zào】了一个钙钛矿【kuàng】器件，在制造完【wán】成前，他们将其暴露在光【guāng】、氧和湿度中30分钟【zhōng】，然【rán】后沉【chén】积其【qí】余的层面【miàn】来【lái】完成器件的制造。通过研究发现光线的使用【yòng】和适当【dāng】的湿度水平，能使电子与氧【yǎng】气结【jié】合形【xíng】成超氧化物，防【fáng】止缺【quē】陷【xiàn】阻碍电子。湿度的存在使钙钛矿【kuàng】表面变成了一个保护壳【ké】，去除【chú】了表【biǎo】面【miàn】的缺陷，锁住了超氧化物，使修复效【xiào】果得【dé】以持续更长的时【shí】间【jiān】。
另【lìng】外就在不久【jiǔ】前，中科院大连化物所【suǒ】洁【jié】净能源国家实验室刘【liú】生忠研究员带【dài】领硅基太阳能【néng】电池研究团队与陕西【xī】师【shī】范大学赵【zhào】奎副教授合【hé】作【zuò】，在二维(2D)钙【gài】钛矿【kuàng】电池领【lǐng】域取得新进展。在2017年中国光【guāng】伏学术大【dà】会上【shàng】刘【liú】生忠【zhōng】介绍【shào】，与3D钙钛【tài】矿电池相比【bǐ】，2D有机无机杂化钙钛矿材【cái】料拥有可【kě】调的光电性能和【hé】优异的环境稳定性两大优点。由【yóu】于2D钙钛【tài】矿存在吸收【shōu】系数【shù】低、电荷传输能力差和激子结合【hé】能大等问题，导致其光伏【fú】性【xìng】能差，电池效率低下。研究人员在二维钙钛矿【kuàng】中掺杂铯元素，使得电池效率提高【gāo】13.7%，是【shì】目前【qián】报道的二维器【qì】件中【zhōng】最【zuì】高效率。研【yán】究中【zhōng】发现，铯【sè】Cs元素的加入有利【lì】于控【kòng】制晶体取向，增加2D平面的【de】晶粒尺寸，增强载流子迁移【yí】率和电荷【hé】传输动力学。同时，2D钙钛矿电【diàn】池的稳定【dìng】性得到了显【xiǎn】著地提升，在30%湿度情况下【xià】，经过1400小时后，器件的效率仍【réng】然保【bǎo】持89%。这将有【yǒu】助【zhù】于【yú】推动钙钛矿太【tài】阳能【néng】电池的商业【yè】化应用。
商用或与硅电池结盟
在商业开发方【fāng】面，目前已有鄂【è】州【zhōu】市昌【chāng】达资产经营公司投资成立了湖北【běi】万度光【guāng】能有限责任公司，用以支持华中科【kē】技大学印刷介【jiè】观太【tài】阳能电【diàn】池材料与器件团队【duì】进行【háng】钙钛矿【kuàng】电池的商【shāng】业应用与开发。
根据当前【qián】的情况看，钙钛矿电【diàn】池或许可以与【yǔ】硅电【diàn】池结【jié】成"联盟"，从【cóng】而在现有的光伏市【shì】场【chǎng】上【shàng】形成有【yǒu】力竞争。相关研究人员称，在硅层上方加一层钙钛矿太【tài】阳能电池【chí】，可以将二者结合并形成一个【gè】"叠层"太阳能【néng】电池。钙钛矿材料【liào】能【néng】够很好地利【lì】用太阳光中能量较高的光（如【rú】蓝光或紫【zǐ】外光），这正好是硅所无法吸收的部分，这样便能【néng】激发更多具有【yǒu】较高能量和光电压【yā】的电子【zǐ】。研【yán】究者们预测，未来如果将【jiāng】最好的硅组件【jiàn】和【hé】钙【gài】钛【tài】矿器件合理地【dì】整【zhěng】合在【zài】一起，在不用大【dà】幅改动两者制造技术【shù】的情况下【xià】就可【kě】以获得超【chāo】过30%的效【xiào】率，同时，周【zhōu】边系统成【chéng】本【běn】也将会大大降低。
另外，虽然钙钛矿电【diàn】池所需的原材料十【shí】分充足，且可以较低【dī】温度【dù】下使用【yòng】廉【lián】价设【shè】备进【jìn】行生【shēng】产，但还需【xū】要考虑【lǜ】"周边【biān】系统成本"，这包括安【ān】装材料和人力成本、安装许可证和系统检【jiǎn】查【chá】相关费用以及【jí】其他相关的费用。
钙钛矿【kuàng】太阳能电池的迅速崛起也为科学家们【men】和【hé】工程师【shī】们带来了其【qí】他方面【miàn】的启发【fā】，如可【kě】以利用钙钛矿材料【liào】来制备其【qí】他类型的光电功能器件【jiàn】。此前，研【yán】究人员已用金属卤化【huà】物钙钛【tài】矿材料制【zhì】造出发光二极管（LED）和【hé】激光器【qì】，它们能通过冷发光过【guò】程有【yǒu】效地放出光【guāng】。尽管针对此类【lèi】新颖产品的研究才刚刚开始【shǐ】，但研究者相信，这一【yī】领域将会越来越受到大家【jiā】的关【guān】注。
来源：光伏产业观察网
