常见的太阳能电池板发电效率并不高？新材料带来新希望！

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作者：石畅（物理化学博士）

监制：中国科普博览

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当(dāng)我(wǒ)们(men)漫(màn)步在(zài)乡村小道时，屋顶上一片片蓝色玻璃映入眼帘，道旁的路灯也似乎戴上了玻璃帽子。这些神秘的“蓝色玻璃”究竟是何物？它们又扮(ban)演(yǎn)着(zhe)怎(zěn)样(yàng)的(de)角(jiǎo)色(sè)？

农(nóng)村(cūn)屋(wū)顶(dǐng)上(shàng)的(de)“蓝(lán)色(sè)玻(bō)璃(lí)”

（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：veer图(tú)库(kù)）

“蓝(lán)色(sè)玻(bō)璃(lí)”竟(jìng)然(rán)可(kě)以(yǐ)发(fā)电(diàn)？

其(qí)实(shí)，这(zhè)些(xiē)被安装在屋顶和路灯上的蓝色玻璃是太阳能电池板，是太阳能发电系统的核心组成部分。在光照充足的白天，这些电池板将光能转换为电能，为我们的生活提供清洁、可再生的能源。太阳能电池板为何如此神奇，为什么它能够将太阳能捕捉并转化成电能呢？

太阳能电池路灯

（图片来源：veer图库）

太阳能电池将光转化为电的能力与光电效应有关。光电效应是指光照射到某些物质（通常是金属或半导体）表面时，物质中的电子获得足够的能量，从物(wù)质(zhì)表(biǎo)面(miàn)逸(yì)出(chū)的(de)现(xiàn)象(xiàng)。光(guāng)照(zhào)条(tiáo)件(jiàn)下(xià)，太(tài)阳能电池可以吸收光子，当光子的能量超过半导体电子逃逸能量时，电子就会发生跃迁，产生电能。什么材料能“担此大任”呢？

地球上含量第二多的元素：“蓝色玻璃”的核心原料

硅是地球上含量第二多的元素，因其具有合适的带隙（即电子从价带跃迁到导带所需的最小能量），能够充分地吸收可见光，是目前商业化太阳能电池中使用最多的半导体材料。

半导体材料：硅

（图片来源：veer图库）

我们平时常见的“蓝色玻璃”大多是多晶硅太阳能电池板，其主要原料是多晶硅。多晶硅是单质硅的一种形态，由不同晶面取向的晶粒结晶而成。多晶硅太阳能电池板的转换效率一般为15%-18%，具有成本低的优势，在日常生活中应用较多。

屋顶上的太阳能电池

（图片来源：veer图库）

如果仔细观察不难发现，太阳能电池板还有深蓝色或黑色，其实这类太阳能电池板也是以硅为原料，但主要用的是单晶硅。单晶硅由晶面取向相同的晶粒(lì)结(jié)晶(jīng)而(ér)成(chéng)，制(zhì)备(bèi)工(gōng)艺(yì)更(gèng)加复杂，成本也比多晶硅要高，但是转换效率可达20%，多用于航空航天领域。

目前，虽然硅基太阳能电池在生活中已经得到了广泛应用，但是单质硅的带隙固定，吸收太阳光的光谱范围有限，导致太阳能电池的光电转换效率较低。

然而，在硅之外，还有一种半导体材料，可以解决这些问题！

这种半导体材料，带隙可调，还可以叠加使用

钙(gài)钛(tài)矿(kuàng)是(shì)一(yī)种(zhǒng)具(jù)有(yǒu)独(dú)特(tè)晶体结构的材料，最初是在天然矿石中被发现，现在泛指一类具有ABX3结构的化合物，其中A通常是有机阳离子，B是金属离子，X是卤素阴离子。这种结构赋予了钙钛矿材料一系列优异的光电特性，使其在太阳能电池领域展示出巨大的应用潜力。

钙钛矿太阳能电池

（图片来源：veer图库）

钙钛矿材料可以(yǐ)通过改变材料的组成来调整带隙，进而调控其吸收光的波长范围，最大程度地提高对太阳光的(de)利(lì)用(yòng)效(xiào)率(lǜ)。正(zhèng)是(shì)由(yóu)于(yú)钙(gài)钛(tài)矿(kuàng)材(cái)料(liào)带(dài)隙(xì)可(kě)调(diào)的(de)特(tè)点(diǎn)，在(zài)构(gòu)建(jiàn)太(tài)阳(yáng)能(néng)电(diàn)池(chí)时(shí)，可(kě)以(yǐ)将(jiāng)不(bù)同(tóng)带(dài)隙(xì)的(de)钙(gài)钛(tài)矿(kuàng)材(cái)料(liào)或(huò)者(zhě)钙(gài)钛(tài)矿(kuàng)材(cái)料(liào)与(yǔ)硅(guī)基(jī)材(cái)料(liào)组(zǔ)成(chéng)叠(dié)层(céng)结(jié)(jié)构(gòu)(gòu)，提(tí)(tí)高(gāo)(gāo)整(zhěng)(zhěng)体(tǐ)(tǐ)的(de)(de)光(guāng)(guāng)吸(xī)(xī)收(shōu)(shōu)效(xiào)(xiào)率(lǜ)(lǜ)。此(cǐ)(cǐ)外(wài)(wài)，钙(gài)(gài)钛(tài)(tài)矿(kuàng)(kuàng)材(cái)(cái)料(liào)(liào)可(kě)(kě)以(yǐ)(yǐ)通(tōng)(tōng)过(guò)(guò)溶(róng)(róng)液(yè)(yè)法(fǎ)(fǎ)等(děng)(děng)湿(shī)(shī)法(fǎ)(fǎ)工(gōng)(gōng)艺(yì)(yì)在(zài)(zài)低(dī)(dī)温(wēn)下(xià)制(zhì)备(bèi)，制(zhì)备(bèi)成(chéng)本(běn)也(yě)较(jiào)低(dī)。

那(nà)么(me)，有(yǒu)这(zhè)么(me)好(hǎo)的(de)材(cái)料(liào)，是(shì)不(bù)是(shì)就(jiù)可(kě)以(yǐ)“高(gāo)枕(zhěn)无(wú)忧(yōu)”了(le)？事(shì)实(shí)并(bìng)非(fēi)如(rú)此(cǐ)。钙(gài)钛(tài)矿(kuàng)太(tài)阳(yáng)能(néng)电(diàn)池(chí)想(xiǎng)要(yào)实(shí)现(xiàn)商(shāng)业(yè)化(huà)应(yīng)用(yòng)，还(hái)必(bì)须(xū)要(yào)解(jiě)决(jué)大(dà)面(miàn)积(jī)制(zhì)备(bèi)时(shí)，因(yīn)表(biǎo)面(miàn)不(bù)均(jūn)匀(yún)而(ér)导(dǎo)致(zhì)的性能降低的问题。

大尺寸全钙钛矿太阳能电池迎来新突破！

目前，钙钛矿太阳能电池(chí)在(zài)0.1平(píng)方(fāng)厘(lí)米(mǐ)的(de)活(huó)性(xìng)面(miàn)积(jī)已(yǐ)经(jīng)实(shí)现了高的(de)光(guāng)电(diàn)转(zhuǎn)换(huàn)效(xiào)率(lǜ)（大(dà)于(yú)28%），超(chāo)过(guò)了(le)绝(jué)大(dà)多(duō)数(shù)的(de)硅(guī)基(jī)太(tài)阳(yáng)能电池。但(dàn)是(shì)，由(yóu)于(yú)大(dà)面(miàn)积(jī)钙(gài)钛(tài)矿(kuàng)层(céng)不(bù)均(jūn)匀(yún)等(děng)问(wèn)题(tí)，大(dà)于(yú)1平(píng)方(fāng)厘(lí)米(mǐ)的(de)钙(gài)钛(tài)矿(kuàng)太(tài)阳(yáng)(yáng)能(néng)电(diàn)池(chí)的(de)光(guāng)电(diàn)转(zhuǎn)换(huàn)效(xiào)(xiào)率(lǜ)(lǜ)还(hái)(hái)较(jiào)(jiào)低(dī)(dī)（26%左(zuǒ)(zuǒ)右(yòu)(yòu)），制(zhì)(zhì)约(yuē)(yuē)了(le)(le)叠(dié)(dié)层(céng)(céng)钙(gài)(gài)钛(tài)(tài)矿(kuàng)(kuàng)太(tài)阳(yáng)能(néng)电(diàn)池(chí)的(de)产(chǎn)业(yè)化(huà)进(jìn)程(chéng)。

2024年(nián)10月(yuè)14日(rì)，中(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)家(jiā)在(zài)《自然》（《Nature》）期刊发表了一项关于“利用优化的二维钙钛矿在全钙钛矿叠层太阳能电池中实现均匀接触”的研究，他们成功将1.05平方厘米尺寸的全钙钛矿叠层太阳电池的光电转换效率提高至28.5%。

研究工作发表于《自然》杂志

（图片来源：《自然》杂志）

研究团队将(jiāng)4-氟(fú)苯(běn)乙(yǐ)胺(àn)和4-三氟甲基苯基铵两种分子引入钙钛矿中，4-氟苯乙胺的引入提高了钙钛矿薄膜与电子传输层的均匀性，4-三氟甲基苯基铵增强了电荷的传输，二者的结合大大提高了钙钛矿太阳能电池的转换效率。

全钙钛矿叠层电池的扫描电镜图；b. 太阳能电池的电流-电压曲线；c. 太阳能电池的外量子效率与波长曲线；d. 不同带隙太阳能电池的开路电压曲线；e. 太阳能电池的功率转换效率图；f. 已发表的太阳能电池的功率转换效率图

（图片来源：参考文献1）

实验结果表明，面积为1平方厘米的宽带隙单结钙钛矿太阳电池的光电转换效率达到了20.5%。通过与窄带隙钙钛矿电池的堆叠，面积为1.05平方厘米的全钙钛矿叠层电池的转换效率可提高至28.5%，相比于目前该尺度全钙钛矿叠层太阳能电池的转换效率提升(shēng)约(yuē)2个(gè)百(bǎi)分(fēn)点(diǎn)，实(shí)现了大面积钙钛矿太阳能电池转换效率的突破。

钙钛矿太阳能电池，未来大有可为

钙钛矿太阳能电池作为低成本、高光电转换效率的第三代太阳能电池的代表，具有很大的应用潜力。但是，钙钛矿太阳能电池要实现商业化应用，依然还有很长的路要走，要解决一系列所面临的问题：

太阳能电站

（图片来源：veer图库）

（1）稳定性问题：钙钛矿太阳能电池的稳定性是其商业化应用的主要瓶颈。钙钛矿材料易受环境因素影响，如水解、高温分解、光照和氧气作用下的分解等，导致电池性能下降。尽管目前钙钛矿太阳能电池的稳定性已达到一万小时，但完全满足产业化要求还需要一个过程。

（2）大面积制造问题：钙钛矿电池在小面积器件中表现出色，但随着面积的放大，薄膜的均匀性降低，缺陷增多，导致效率和稳定性下降。

（3）铅毒性问题：由于钙钛矿材料大多含有Pb元素，会对环境有潜在影响，因此无铅化、低毒性材料的研发也是重要的关注方向

结语

科技的进步将太阳能电池以实物的形式呈现在我们眼前，并且成为全球能源转型和应对气候变化的关键途径之一。然而，应对全球环境问题仅仅依靠高科技产品还是远远不够的，我们需要进一步增强节能减排意识，依靠我们自身和高科技的共同努力保护地球环境。

参考文献：

1.Wang, Y., Lin, R., Liu, C. et al. Homogenized contact in all-perovskite tandems using tailored 2D perovskite[J]. Nature , 2024.

2.Lin, R. et al. All-perovskite tandem solar cells with 3D/3D bilayer perovskite 360 heterojunction[J]. Nature, 2023.

3.魏静,赵清,李恒,等.钙钛矿太阳能电池:光伏领域的新希望[J].中国科学:技术科学, 2014.

4.曹雨,王娜娜,伊昌,等.钙钛矿发光二极管:下一代发光与显示技术[J].光学学报, 2022.

5.孙雪,黄锋,刘桂雄,等.纳米成核点辅助结晶对钙钛矿光电探测器性能的影响[J].物理学报, 2022.