当前太【tài】阳能电池中的光电材料普遍使用的是硅材料，硅【guī】电池的【de】光【guāng】电能【néng】量转换【huàn】效率较高【gāo】，但它【tā】的制作成本也【yě】高，而且在制作过【guò】程【chéng】中需要消耗大【dà】量化石【shí】能源、产生污染环境的化学【xué】物质，于【yú】是【shì】发展新一代低成本太阳能电池成为【wéi】了各【gè】国科【kē】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，在短短几年时【shí】间【jiān】里，实【shí】验室中光【guāng】电转换效率就已经从3％提高到了20％，被【bèi】视为极具竞争力、最有希望【wàng】实现低成【chéng】本发电【diàn】的光伏技术之【zhī】一。
钙钛矿电池成本只有一般太阳能电池的1/5
1839年，一位俄【é】罗斯【sī】矿物学【xué】家在俄【é】罗斯乌拉尔山脉发现了钙钛矿，人们【men】就【jiù】以他的名【míng】字【zì】命名了钙钛矿，最初【chū】单指钛酸【suān】钙这种矿物，后【hòu】来把结构与之类似的晶体统称【chēng】为钙钛【tài】矿【kuàng】物质。随【suí】后人们发现【xiàn】钙钛矿【kuàng】非常【cháng】适【shì】用于光伏领域，由于其所需的【de】原材料【liào】储量【liàng】丰【fēng】富，制备工艺简单且可【kě】以采用【yòng】低温、低成本的工艺实现高品【pǐn】质的薄膜产品，从而拥有诱人【rén】的前景。这些有着高质量晶【jīng】体结【jié】构的薄膜甚至可以【yǐ】与在高温下以高成本获得的硅片的晶【jīng】体质量【liàng】媲【pì】美，实现柔性【xìng】化和【hé】"卷对【duì】卷"式【shì】的规模化生【shēng】产。
钙钛矿【kuàng】电池【chí】是如何制作的【de】？简单来讲，工【gōng】程师只要溶液把钙【gài】钛矿身上的有机物和无机物溶【róng】化，调配成一种特殊【shū】的"墨水"，然【rán】后，将"墨【mò】水"均匀地【dì】刷到导电玻璃【lí】上，印刷三【sān】到四次后进行沉积【jī】，一块钙【gài】钛矿太【tài】阳能电池【chí】就形【xíng】成了。并且由于材料便宜，工艺简单【dān】，成品价格就有下降的空【kōng】间【jiān】。
目前，世界【jiè】上主要【yào】有【yǒu】3种类型的太阳能【néng】电池，它们的转化效率都【dōu】高【gāo】，但造价也高。一种是最"高贵"的多【duō】结太阳能【néng】电池。这种电池用于【yú】卫星、无人【rén】机等，光电转换效率高达46%，造价昂贵。二【èr】种是最常见的晶硅【guī】太阳能【néng】电池。用它【tā】做成的光【guāng】伏发电面【miàn】板随处可见，光电转换效率约在【zài】18%，每平方米造价为500元至700元【yuán】。三种是薄膜太阳【yáng】能电池【chí】。它的【de】特【tè】点是薄，厚度为【wéi】晶硅电池的【de】1/10，转【zhuǎn】换效率【lǜ】约【yuē】为10%-12%。
根据华【huá】中科技大学印刷介观太阳能电池材料与器件【jiàn】团队的研【yán】究成果【guǒ】显【xiǎn】示【shì】，太【tài】阳能电池造【zào】价居高不下，是光【guāng】伏【fú】发【fā】电推广难【nán】的一【yī】个主【zhǔ】要原因【yīn】，比【bǐ】如现在市【shì】面上【shàng】推出的一种分布式薄膜【mó】太阳能产品"汉瓦"，可直【zhí】接铺【pù】在屋【wū】顶上，其定价为1390元/平方米，如果采用钙钛【tài】矿电池，每平米预计成本只有当前的1/5。
稳定性是最致命的弱点
尽管钙钛矿电池的科研工作取得【dé】了可【kě】喜的【de】成绩，但是【shì】在进行商业运转之【zhī】前还必【bì】须先【xiān】解决一【yī】些【xiē】难题，首先电池含毒【dú】，钙【gài】钛矿电池【chí】材料含有铅，而美国【guó】西北大学也已研发出一【yī】种用锡代替铅的【de】钙钛矿太【tài】阳【yáng】能电池，不【bú】过这【zhè】种电池的转【zhuǎn】换效率【lǜ】还只有6％，目前处于研发【fā】初级阶段，效率还有提升空间；其次【cì】电池性经能不稳【wěn】定【dìng】，钙钛【tài】矿中的铅容【róng】易氧化挥【huī】发【fā】，而当晶体遇【yù】水时则易分【fèn】解。如果我们使用钙钛矿电【diàn】池发电，它很有可能渗【shèn】出流到屋顶或土壤中；最后电池寿命不【bú】长，目【mù】前【qián】，由华中科技大学和洛桑联邦理工学院合作研发的的钙钛矿太【tài】阳能【néng】电池寿命最长可【kě】达到1000小时，而传【chuán】统【tǒng】晶硅电池寿命一般【bān】可达到25年，比钙钛矿电池长【zhǎng】得多。
在钙钛矿太阳【yáng】能电池的诸多难题【tí】中【zhōng】，稳【wěn】定性是最致命的【de】弱点。由【yóu】于钙钛矿对潮【cháo】湿环境【jìng】敏感，暴【bào】露在潮湿空气中会很快分【fèn】解，因此必须对其进行防水封【fēng】装。
关于【yú】如何解决稳定性【xìng】的难【nán】题【tí】，来自英国牛【niú】津、剑【jiàn】桥和【hé】巴【bā】斯大学、美国麻省理工【gōng】和荷兰代尔【ěr】夫【fū】特工业大【dà】学的联【lián】合研究【jiū】团【tuán】队发现【xiàn】，通过谨慎使用【yòng】光和【hé】湿度，晶体钙钛矿结构的缺陷可以被永【yǒng】久修复。研究团队【duì】制【zhì】造了一个钙钛矿器件，在制造完成前【qián】，他们将其暴露在光、氧和湿【shī】度中30分【fèn】钟，然后沉积其余的层面【miàn】来完成器件的制造。通过研【yán】究发现【xiàn】光线的使用和适当的湿【shī】度水平，能使【shǐ】电子与氧气结【jié】合【hé】形成【chéng】超【chāo】氧化物，防止缺陷阻碍电子。湿度的存在使钙钛矿表面变成【chéng】了一个保【bǎo】护壳，去【qù】除了【le】表面【miàn】的缺陷，锁住了超【chāo】氧化物，使修复效果得【dé】以【yǐ】持续更长的时间。
另外就在【zài】不久前，中科院大连化物所【suǒ】洁净【jìng】能源国家实验室【shì】刘生忠研究员【yuán】带【dài】领【lǐng】硅基太阳能电池研究团队与陕西师范大学赵奎副教授合作【zuò】，在二维【wéi】(2D)钙钛矿电池【chí】领域取得新进展。在2017年中国【guó】光伏学术大会上【shàng】刘生忠介绍【shào】，与3D钙钛矿电池相比，2D有机无机杂【zá】化钙钛矿材【cái】料拥有可调的光电性能和【hé】优【yōu】异的环境稳定性两大优点。由于【yú】2D钙钛矿存在吸收系数低、电荷【hé】传输能力【lì】差和激子结合能【néng】大等【děng】问题，导致其光伏性能差，电池效率低下【xià】。研究人【rén】员在二维钙钛矿中掺【chān】杂铯元素，使【shǐ】得电池效率提高13.7%，是【shì】目前【qián】报道【dào】的二维【wéi】器【qì】件中最高效率【lǜ】。研究【jiū】中发现，铯Cs元素的加入【rù】有【yǒu】利【lì】于控制晶体取向，增加【jiā】2D平【píng】面的晶【jīng】粒尺寸，增强载流子【zǐ】迁移率【lǜ】和电荷传输动力学。同时，2D钙钛矿电【diàn】池的稳定性【xìng】得到【dào】了【le】显著地【dì】提升，在30%湿度情【qíng】况下，经【jīng】过1400小时后【hòu】，器件的效率仍然保持89%。这【zhè】将有助于【yú】推动钙钛【tài】矿太阳【yáng】能电池的商业【yè】化应【yīng】用。
商用或与硅电池结盟
在商业开发方面，目前已【yǐ】有鄂州市昌达【dá】资【zī】产经营公【gōng】司投资成立【lì】了湖北万度光【guāng】能有【yǒu】限责任公司，用以支持华中科【kē】技大学印刷介观太阳【yáng】能电池材料【liào】与【yǔ】器件【jiàn】团队进【jìn】行钙【gài】钛矿电池的商业【yè】应用与开发。
根【gēn】据当前【qián】的【de】情况看【kàn】，钙钛矿电池或许可以与【yǔ】硅电池结【jié】成"联盟"，从而在现有的光伏【fú】市场上【shàng】形成有力竞争。相关研究【jiū】人员【yuán】称，在硅层上方加【jiā】一层钙钛矿太阳能电【diàn】池【chí】，可以将二者结合并形成一个"叠【dié】层"太阳能电池。钙钛矿材料能够很【hěn】好【hǎo】地利用太阳光中能量较高的光（如【rú】蓝光或紫外光），这【zhè】正好【hǎo】是硅所无法吸【xī】收的部分，这样便能激发更多具有较高能量和光电【diàn】压的【de】电子。研【yán】究【jiū】者【zhě】们【men】预【yù】测，未【wèi】来如果将最好的硅组件【jiàn】和【hé】钙【gài】钛【tài】矿器【qì】件【jiàn】合理地整合【hé】在一起，在【zài】不用大【dà】幅改动两者制造技术【shù】的情况下就可以【yǐ】获得超过30%的效率，同时，周边系统【tǒng】成本也将会大大降低。
另外，虽然钙钛矿电【diàn】池所需的原材【cái】料十分【fèn】充足，且【qiě】可以较低温度下【xià】使用廉价设备进行生产【chǎn】，但【dàn】还需要考虑【lǜ】"周边【biān】系统成本"，这【zhè】包括安【ān】装材料和人力成本、安装许【xǔ】可证和系统【tǒng】检【jiǎn】查相关费【fèi】用以及【jí】其他相关的费用。
钙【gài】钛矿【kuàng】太阳能电池的迅速崛起也为科学家们和工程师们带来了其他【tā】方面【miàn】的启发，如【rú】可以利用钙【gài】钛矿材料来制备其他类型的【de】光电功能器【qì】件。此前，研【yán】究人【rén】员【yuán】已用【yòng】金【jīn】属卤化物钙钛【tài】矿材料【liào】制造【zào】出发【fā】光二极管（LED）和激光器，它【tā】们能通过冷发光过【guò】程有效【xiào】地放出光。尽管针对此类新颖产品的研【yán】究才【cái】刚刚开始，但【dàn】研究者相信，这一领域将会越来越受【shòu】到大家【jiā】的关注。
来源：光伏产业观察网
