钙钛矿太阳能电池前景看好，研究人员缓解了生产中的挑战

太阳能电池板的效率不断提高，与不可再生能源相比，其成本竞争力正在增强。虽然硅基太阳能系统是目前最容易获得的，但钙钛矿电池可能会在未来几年偷走人们的注意力。

硅太阳能电池板已经进行了广泛的研究和开发，太阳能电池每瓦成本不到1美元，效率高达20%。然而，除非硅板能够继续提高效率并降低成本，否则煤炭、石油和天然气等不可再生能源仍将是发电的主要选择。

虽然可再生能源被认为是化石燃料的清洁替代品，但太阳能电池板也有一些缺点可能不像人们想象的那么环保．

为太阳能电池制造硅片需要大量的能量，因为硅需要加热到1000摄氏度在这个温度下保存一个月当种子晶体从熔融物质中提取出来时。这种高温要求直接导致高电力需求，由于地球上大多数电力来自不可再生资源，这转化为CO₂生产。因此，生产阶段本身就是一个消耗能源的冒险。硅电池板还含有对环境有潜在危害的化学物质(用于改变硅电荷的掺杂剂)，因此当太阳能电池板经历其生命周期结束时，它们需要适当处理，否则会释放污染物。

在过去的40年里，解决与硅太阳能电池板相关的环境、效率和成本问题是一个渐进的过程。然而，现在研究人员一直在寻找硅基电池的替代品。一种主要的替代品是基于钙钛矿晶体。

钙钛矿面板

钙钛矿的太阳能电池与硅电池不同，硅电池具有非常不同的化学结构。这些电池包括钙钛矿结构的化合物，其结构与钙钛氧化物的晶体结构相同。通常，这些类型的电池是基于有机-无机铅或锡卤化物为基础的材料，因为他们接收进入的光子层。重要的是，钙钛矿板通常具有广泛的吸收光谱，通常可以吸收大部分(如果不是全部)可见光。

早在2009年，这些太阳能电池的效率为3.8%，但截至2017年，它们已经超过了普通的硅电池，目前的效率约为22.7%。为了提高效率，波茨坦大学和柏林亥姆霍兹中心的研究团队一直在努力做得更好了解什么地方效率低下．他们的研究发现钙钛矿晶体和太阳能电池层之间允许电子运输的界面可能会出现缺陷，导致重要的载流子的丢失。这突出了钙钛矿的一个主要缺点，目前全球的研究人员正在解决这个问题。

成本、寿命和材料科学:钙钛矿的挑战和解决方案

钙钛矿电池虽然有很多优点，但也存在一些困扰硅的主要问题。这些问题包括效率，有害物质，以及使钙钛矿电池成为大规模生产的可行选择。好消息是，全球的研究人员正在为这些问题提出可能的解决方案。

减少有害物质

像硅一样，钙钛矿细胞通常是由有毒甚至潜在的致癌物质制成的，这可能对人类非常有害。其中一种引起问题的化学物质是PbI(碘化铅)哪个是分解产物随着时间推移细胞降解。PbI具有极高的毒性，会导致与铅中毒类似的急性和慢性后果。为了将这些危险的化学物质密封在电池中，需要更多的材料，这将提高它们的成本。

但是，韩国科学技术院(KAIST)的研究小组已经解决了铅的毒性问题提出一种新材料CS2AU2I6不含铅。虽然这些电池的主要材料成本低且易于制造，但使用的电极通常是像黄金这样的市场价格非常高的材料，这使得成本成为一个难以克服的挑战。

碘化铅是一种剧毒化学物质。图片由w . Oelen［3.0 CC冲锋队］

用新的制造方法提高效率

生产钙钛矿太阳能电池已经被证明是困难的。为了缓解这个问题，研究人员正在寻找更可行的钙钛矿细胞生产方法。

如上所述，钙钛矿中低效的主要原因之一是钙钛矿和传输层之间的界面。目前，一种应用传输层的新方法正在积极地解决这一问题。

六月，纽约大学坦顿工程学院宣布了钙钛矿电池生产的新概念该系统由该系的研究人员开发，由André D. Taylor教授领导，与北京大学、中国电子科技大学、耶鲁大学和约翰霍普金斯大学合作。研究人员在钙钛矿电池上喷涂一层PCBM([6,6]-苯基- c(61)-丁酸甲酯)，作为电子传递层或ETL。

在一种被称为p-i-n结构的太阳能电池设计中，带负电荷的ETL中的电子在光线击中其表面时被激发，并沿着陷光的“固有”层(钙钛矿晶体)进入带正电荷的空穴传输层(HTL)。到目前为止，这种p-i-n结构的问题之一是ETL很难始终放置在钙钛矿晶体上。

纽约大学设计的喷枪钙钛矿太阳能电池。图片由纽约大学．

从本质上讲，研究人员通过喷枪法使钙钛矿晶体顶部的电子传输层更加均匀，从而实现了更高的电导率。据报道，这一改变使能量转换效率提高了30%，从13%提高到17%，并且减少了ETL的缺陷(这再次导致了大量生产电池时的成本问题)。

增加寿命

目前正在研究的另一个问题是钙钛矿细胞的寿命很短。目前，国家可再生能源实验室产生持续5000小时的细胞．从这个角度来看，这种电池将持续208天，而传统电池板的寿命是20年(请记住，太阳能电池板的寿命很可能比这长得多)。

寿命如此短的原因是钙钛矿面板非常容易受到湿气的影响，很容易被分解。除非这些电池板能够使用更长时间，否则钙钛矿电池可能完全不经济，因为电池板需要每六个月更换一次。话虽如此，第一批细胞持续了几个小时，研究人员正在努力寻找提高寿命的方法。

今年4月，芬兰阿尔托大学(Aalto University)博士候选人阿米·蒂伊霍宁(Armi Tiihonen)就这一主题为她的论文进行了答辩。与其他研究人员一起，Tiihonen一直在努力开发寿命更长的钙钛矿细胞这也更容易监测磨损的迹象。随着染料敏化钙钛矿细胞的老化，它们从深色变成黄色，表明磨损。Tiihonen认为，降低钙钛矿电池中导致降解的因素，如水和紫外线，是重要的，但改变这些染料敏化电池中使用的电解质并不重要。研究人员Kati miiettunen报告称，通过将电解质成分从碘转变为钴，“太阳能电池的寿命增加了10倍。”

结合优势:钙钛矿油墨和钙钛矿和硅混合材料

钙钛矿电池板可能是未来太阳能技术的关键，但是，尽管它们效率高，生产成本低，可以以薄膜形式应用，它们仍然需要解决其毒性问题，并将其极短的寿命作为可再生的替代品认真对待。

然而，如果钙钛矿细胞不能通过它们自己的蒸汽进入，可能还有其他可行的途径。

研究人员已经成功开发了墨水形式的钙钛矿电池可以涂在表面，形成薄膜太阳能电池。一个实现的想法是在现有的硅太阳能电池上涂上这种墨水，以努力提高两个面板的整体效率(因为薄膜通常是透明的)。

钙钛矿油墨，可以涂在硅太阳能电池上，以提高效率。图片由NREL

这种方法基本上可以提高硅的效率，而不需要对原来的面板做太多改变。

但用钙钛矿涂层硅可能不是将两种材料连接在一起的唯一选择。今年6月，法国EPFL (École polytechnique fédérale de Lausanne)的研究人员介绍了用钙钛矿覆盖硅晶体本身的概念。这silicon-perovskitehyrbid据报道能达到25.2%的效率。

无论是钙钛矿太阳能电池板取代硅，还是这两种材料结合，太阳能的未来一直看起来更光明。