原标题：钙钛矿太阳能电池提供硅的替代品

　　钙钛矿有望提高太阳能效率，但挑战依然存在。

　　钙钛矿太阳能电池已成为传统无机太阳能电池中硅的替代材料，因为它们能够实现更高的功率转换效率。

　　尽管目前有其他材料用于不同类型的太阳能电池(例如，用于柔性和透明太阳能电池的有机材料)，但能够取代当今商业太阳能电池中使用的硅和硅衍生物的竞争者并不多。

　　钙钛矿太阳能电池有可能取代传统的硅，但在与硅太阳能电池进行商业竞争之前，仍面临一些挑战 。

　　钙钛矿太阳能电池的潜力

　　钙钛矿是一类广泛的材料，在过去 10 年左右的时间里才被广泛集成到太阳能电池中。由于钙钛矿是一种具有 A 2 +B 4 +X 3 2-一般结构的材料 (A 和 B 是带 2+ 和 4+ 电荷的阳离子，X 是阴离子)，因此有多种材料可供使用。因此，将不同的钙钛矿用于不同的 太阳能 电池应用具有巨大的潜力。

　　在这些材料中，有几种不同的候选材料展示了仅次于商业太阳能技术黄金标准的高功率转换效率 (PCE) 的潜力——尽管硅在行业中长期具有优势。截至 2022 年 1 月，钙钛矿太阳能电池的最高记录 PCE 约为 25.7%，仅比目前使用的单晶硅太阳能电池低 1%。

　　当您从单结太阳能电池转向串联结太阳能电池时，串联钙钛矿太阳能电池以高达 29.8% 的 PCE 超越所有单结电池。唯一记录在案的串联太阳能电池类别是一些 PCE 约为 32.9% 的 Ga-As 太阳能电池。有些太阳能电池具有三个或更多结点，已达到更高的 PCE，但由于制造成本更高，并且由于试图优化跨这么多结点的电子带隙而增加了制造复杂性，因此这些太阳能电池在商业上并不可行。

　　钙钛矿太阳能电池开发

　　钙钛矿太阳能电池的发展已经取得了快速进展，PCE 已经压制了许多其他 类型太阳能电池的研究工作。有几种不同的制造路线可以生产钙钛矿太阳能电池，因此与用于生产硅太阳能电池的制造路线相比，制造路线通常更简单、更便宜。

　　但是，尽管钙钛矿太阳能电池商业化面临挑战，研究人员如何在如此短的时间内取得进展?与许多其他有前途的材料一样，它与所用材料的特性有很大关系(研究人员在太阳能电池和其他技术中使用石墨烯时遇到了这个问题)。

　　钙钛矿具有出色的电子特性，具有直接带隙(所有太阳能电池结所必需的半导体性质)和高吸收系数。这意味着它们可以有效地吸收光线并跨越广泛的电磁波谱——而不仅仅是可见光。

　　除了这些关键特性外，钙钛矿还表现出较长的载流子扩散长度、活性载流子物种的快速电荷分离，并且可以使用化学掺杂轻松调整它们的带隙。从材料的角度来看，这种电子特性的结合意味着它们为更有效的光吸收机制和更高的光子-电转换率提供了很多希望。因此，人们对它们的使用和正在研究的设备数量的增长非常感兴趣。

　　钙钛矿太阳能电池的采用继续面临挑战

　　与任何新技术一样，研究人员和开发人员在商业化之前必须克服许多挑战——钙钛矿太阳能电池也不例外。由于其高 PCE 和简单的加工路线，它们具有巨大的潜力，但是，缺陷和稳定性问题减缓了钙钛矿的广泛采用。

　　钙钛矿设备缺陷和不稳定的主要原因之一是用于制造这些设备的加工和制造路线的数量。虽然多条制造路线可能是有利的，但当每条路线产生不同的结果并且设备性能的可重复性成为问题时，这是不利的。

　　当您创建大面积设备时，这些问题会变得更加明显。然而，这些设备最终将收获最多的阳光，因此这些技术之间必须有一定程度的凝聚力和标准，以便始终如一地产生可靠的结果。

　　缺陷和不稳定性的出现是因为每种方法涉及不同的合成路线和制造参数。因此，在某些方法中，离子迁移可能会导致缺陷，而晶格变形和相变会出现针孔。

　　当这些缺陷发生时，它们不仅会通过恶化其光电性能来降低器件的 PCE，而且还会加速太阳能电池在水、高温、光和电场存在下的退化。

　　为了使商业化工作更加成功，并实现钙钛矿的 PCE 和低成本潜力，方法之间必须具有更高的可靠性，以确保高器件质量、性能和长期稳定性保证。

　　对二维钙钛矿的兴趣增加

　　除了块状钙钛矿，人们对用于制造太阳能电池的二维钙钛矿材料也越来越感兴趣 。一些研究人员认为二维材料与表面工程方法和基于将无机阳离子引入钙钛矿晶格的方法一起是提高设备稳定性的关键。

　　印度理工学院 Roorkee 的石墨烯和二维材料技术学术研究员 Akanksha Urade 告诉 EE Times，“钙钛矿材料由于其高效率和重量轻而被广泛认为是硅的继任者。然而，很难重现实验室中大规模生产的结果，因此钙钛矿的潜力尚未完全发挥。”

　　薄膜太阳能电池正在试验不同的 2D 材料，今年涉及 2D 材料的最新和最有前途的发展之一发生在一组研究人员创建大面积石墨烯钙钛矿 (GRAPE) 太阳能电池板并建造了一个小型 -希腊的规模太阳能农场。研究人员使用石墨烯作为电子传输层，二维二硫化钼作为钙钛矿和空穴传输层之间的缓冲层。

　　二维钙钛矿材料的商业化带来了自身的挑战，但与石墨烯(其自身也在太阳能电池中广泛试验)一起的这一新发展代表了一种新型钙钛矿太阳能电池。

　　小型 太阳能发电场 仍处于起步阶段，由于仍有一些问题需要解决，预计会有所改进。例如，太阳能电池板的层压材料(一种低温可交联的乙烯-醋酸乙烯酯涂层)经历了一定程度的降解，导致其性能在 9 个月后下降。

　　然而，研究人员发现，将石墨烯与钙钛矿一起使用的显着特征之一 是它提高了电池的内部稳定性。因此，如果可以使用更好的材料来封装面板并防止环境退化，那么面板应该可以长期保持内部稳定。太阳能电池本身面积很大 (0.5m 2 )，每个包含 40 个模块。太阳能发电场由九个这样的太阳能电池组成，总表面积为 4.5 m 2，装机功率为 267 W。

　　太阳能发电场在整个项目中没有连接到电网;然而，据估计，如果它连续连接一整年，那么考虑到前 12 个月内的一些电力损失，该农场可能会产生约 376 千瓦时的电量。如果您去除初始损失并考虑一个完全设置的系统，太阳能农场应该产生大约 546 kWh。

　　这些数字非常有希望，因为尽管今天安装了许多不同的太阳能电池，它们都有不同的功率要求，但安装在房屋顶部的最常见的住宅太阳能电池的功率在 250 W 到 400 W 之间。通常需要 1 kW 的装置组成如果全年都满足理想的收获条件，则多个面板每年可产生 750 至 850 千瓦时的能量。

　　Urade 还谈到了 GRAPE 太阳能电池板的潜力。“在高温条件下，启用石墨烯的钙钛矿太阳能电池板优于传统的光伏电池板，而在峰值功率下，大多数商用硅太阳能电池板只能达到 250-300 W 的功率，”她说。 “使用 8 个月后，仅出现少量退化，这些技术有助于将平准化能源成本 (LCOE) 降至 20 欧元 [19.77 美元]/MWh 以下。”

　　预计二维钙钛矿领域将在未来引起更多关注。尽管 2D 钙钛矿尚未显示出与其大块对应物一样高的效率，但仍有一些正在开发的设备在十几岁左右就实现了 PCE。在我们可以看到这些设备的地方也有更大的灵活性——从混合体太阳能电池到薄膜太阳能电池。它们可能达不到块状钙钛矿太阳能电池的高度，但在未来几年，这两种类型的太阳能电池可能会在世界能量收集业务中发挥越来越大的作用。

　　本文最初发表于 EE Times。

　　利亚姆·克里奇利 (Liam Critchley) 是一位科学作家和科学传播者，专门研究化学和纳米技术，也许最出名的是他的信息丰富的方法以及向科学家和非科学家解释复杂的科学主题。Liam 与世界各地的媒体网站、公司和贸易协会合作，迄今已发表/制作了 800 多篇文章(和其他较长形式的内容)，涵盖了广泛的内容类型。除了他的写作，利亚姆在纳米技术领域的主题知识和专业知识意味着他多年来一直在许多不同的顾问委员会任职——目前的任命是在 Matter Inc.(以前的 AMPT)和纳米技术世界协会顾问委员会.