当前太阳能电池中的光电材料普遍使用的是硅材料，硅电池的光电能量转换效率较高，但它的制作成本也高，而且在制作过程中需要消耗大量化石能源、产生污染环境的化学物质，于是发展新一代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，在短短几年时间里，实验室中光电转换效率就已经从3％提高到了20％，被视为极具竞争力、最有希望实现低成本发电的光伏技术之一。
钙钛矿电池成本只有一般太阳能电池的1/5
1839年，一位俄罗斯矿物学家在俄罗斯乌拉尔山脉发现了钙钛矿，人们就以他的名字命名了钙钛矿，最初单指钛酸钙这种矿物，后来把结构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光伏领域，由于其所需的原材料储量丰富，制备工艺简单且可以采用低温、低成本的工艺实现高品质的薄膜产品，从而拥有诱人的前景。这些有着高质量晶体结构的薄膜甚至可以与在高温下以高成本获得的硅片的晶体质量媲美，实现柔性化和"卷对卷"式的规模化生产。
钙钛矿电池是如何制作的？简单来讲，工程师只要溶液把钙钛矿身上的有机物和无机物溶化，调配成一种特殊的"墨水"，然后，将"墨水"均匀地刷到导电玻璃上，印刷三到四次后进行沉积，一块钙钛矿太阳能电池就形成了。并且由于材料便宜，工艺简单，成品价格就有下降的空间。
目前，世界上主要有3种类型的太阳能电池，它们的转化效率都高，但造价也高。一种是最"高贵"的多结太阳能电池。这种电池用于卫星、无人机等，光电转换效率高达46%，造价昂贵。二种是最常见的晶硅太阳能电池。用它做成的光伏发电面板随处可见，光电转换效率约在18%，每平方米造价为500元至700元。三种是薄膜太阳能电池。它的特点是薄，厚度为晶硅电池的1/10，转换效率约为10%-12%。
根据华中科技大学印刷介观太阳能电池材料与器件团队的研究成果显示，太阳能电池造价居高不下，是光伏发电推广难的一个主要原因，比如现在市面上推出的一种分布式薄膜太阳能产品"汉瓦"，可直接铺在屋顶上，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了可喜的成绩，但是在进行商业运转之前还必须先解决一些难题，首先电池含毒，钙钛矿电池材料含有铅，而美国西北大学也已研发出一种用锡代替铅的钙钛矿太阳能电池，不过这种电池的转换效率还只有6％，目前处于研发初级阶段，效率还有提升空间；其次电池性经能不稳定，钙钛矿中的铅容易氧化挥发，而当晶体遇水时则易分解。如果我们使用钙钛矿电池发电，它很有可能渗出流到屋顶或土壤中；最后电池寿命不长，目前，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阳能电池寿命最长可达到1000小时，而传统晶硅电池寿命一般可达到25年，比钙钛矿电池长得多。
在钙钛矿太阳能电池的诸多难题中，稳定性是最致命的弱点。由于钙钛矿对潮湿环境敏感，暴露在潮湿空气中会很快分解，因此必须对其进行防水封装。
关于如何解决稳定性的难题，来自英国牛津、剑桥和巴斯大学、美国麻省理工和荷兰代尔夫特工业大学的联合研究团队发现，通过谨慎使用光和湿度，晶体钙钛矿结构的缺陷可以被永久修复。研究团队制造了一个钙钛矿器件，在制造完成前，他们将其暴露在光、氧和湿度中30分钟，然后沉积其余的层面来完成器件的制造。通过研究发现光线的使用和适当的湿度水平，能使电子与氧气结合形成超氧化物，防止缺陷阻碍电子。湿度的存在使钙钛矿表面变成了一个保护壳，去除了表面的缺陷，锁住了超氧化物，使修复效果得以持续更长的时间。
另外就在不久前，中科院大连化物所洁净能源国家实验室刘生忠研究员带领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，在二维(2D)钙钛矿电池领域取得新进展。在2017年中国光伏学术大会上刘生忠介绍，与3D钙钛矿电池相比，2D有机无机杂化钙钛矿材料拥有可调的光电性能和优异的环境稳定性两大优点。由于2D钙钛矿存在吸收系数低、电荷传输能力差和激子结合能大等问题，导致其光伏性能差，电池效率低下。研究人员在二维钙钛矿中掺杂铯元素，使得电池效率提高13.7%，是目前报道的二维器件中最高效率。研究中发现，铯Cs元素的加入有利于控制晶体取向，增加2D平面的晶粒尺寸，增强载流子迁移率和电荷传输动力学。同时，2D钙钛矿电池的稳定性得到了显著地提升，在30%湿度情况下，经过1400小时后，器件的效率仍然保持89%。这将有助于推动钙钛矿太阳能电池的商业化应用。
商用或与硅电池结盟
在商业开发方面，目前已有鄂州市昌达资产经营公司投资成立了湖北万度光能有限责任公司，用以支持华中科技大学印刷介观太阳能电池材料与器件团队进行钙钛矿电池的商业应用与开发。
根据当前的情况看，钙钛矿电池或许可以与硅电池结成"联盟"，从而在现有的光伏市场上形成有力竞争。相关研究人员称，在硅层上方加一层钙钛矿太阳能电池，可以将二者结合并形成一个"叠层"太阳能电池。钙钛矿材料能够很好地利用太阳光中能量较高的光（如蓝光或紫外光），这正好是硅所无法吸收的部分，这样便能激发更多具有较高能量和光电压的电子。研究者们预测，未来如果将最好的硅组件和钙钛矿器件合理地整合在一起，在不用大幅改动两者制造技术的情况下就可以获得超过30%的效率，同时，周边系统成本也将会大大降低。
另外，虽然钙钛矿电池所需的原材料十分充足，且可以较低温度下使用廉价设备进行生产，但还需要考虑"周边系统成本"，这包括安装材料和人力成本、安装许可证和系统检查相关费用以及其他相关的费用。
钙钛矿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方面的启发，如可以利用钙钛矿材料来制备其他类型的光电功能器件。此前，研究人员已用金属卤化物钙钛矿材料制造出发光二极管（LED）和激光器，它们能通过冷发光过程有效地放出光。尽管针对此类新颖产品的研究才刚刚开始，但研究者相信，这一领域将会越来越受到大家的关注。
来源：光伏产业观察网
