钙钛矿太阳电池研究的前沿与趋势

　　闫金定1,丁黎明2,杨岸夫1,杨涛3,任红轩2

　　(1.科学技术部高技术研究发展中心;2.国家纳米科学中心;3.西北大学)

　　开发利用清洁可再生的能源是人类社会发展的一大挑战及渴求。太阳能具有来源广泛、清洁安全等优点，因而备受人们的青睐。用于转化太阳能的钙钛矿太阳电池自2009年问世以来，取得了突飞猛进的进展。目前，钙钛矿太阳电池已经具有高达22%的能量转换效率和低成本优势，有望跨过商业化门槛，进而分享乃至颠覆硅太阳能电池主导的光伏市场，更有效地降低环境污染和全球温室效应。

　　一、关于钙钛矿太阳电池

　　1. 定义与特点

　　钙钛矿太阳电池是以具有钙钛矿晶型结构的有机金属卤化物CH3NH3PbX3(X=Cl, Br, I)等作为光吸收、光电转换，以及载流子输运核心材料的太阳能电池。CH3NH3PbX3的晶体结构如图1所示，甲胺基团位于立方晶胞的中心，Pb原子位于立方晶胞的顶角，6个卤素原子围绕Pb原子形成配位八面体。

　　2. 作用与意义

　　开发利用清洁可再生的能源成为人类社会发展的一大挑战与追求。太阳能具有来源广泛、取之不尽、用之不竭、清洁安全等优点，备受人们的青睐。规模化利用清洁、可再生的太阳能对于优化能源消费结构、减少环境污染和全球温室效应的意义十分重大。利用光生伏特效应，将光能直接转换为电能的太阳能电池，为利用太阳能提供了一条有效的途径。

　　当前，市场化的光伏技术包括第一代晶体硅太阳能电池、第二代CIGS、CdTe薄膜太阳能电池，每年以30%的速度增长，但总装机发电量仍不足全球总能耗的1%。

　　有机金属卤化物钙钛矿结构太阳电池自2009年问世以来，因为其消光系数高且带隙宽度合适、载流子迁移率高、扩散长度长、具有双极性载流子输运特性、原料丰富、器件结构简单、制备成本低、可制备高效柔性器件等优点，取得了突飞猛进的进展，目前能量转换效率已经超过22%。2013年钙钛矿太阳电池被《Science》期刊评为国际十大科技进展之一。显著的效率和成本优势有望推动钙钛矿太阳电池跨过商业化门槛，有望打破目前硅太阳能电池的垄断格局，分享乃至颠覆未来的光伏市场。

　　钙钛矿太阳电池高转换效率、低制造成本、低能耗环境友好制备等优点，可以广泛应用于军事、工业、商业、农业、公共设施等。此外，这种新型太阳电池可制备在塑料、织物布料等柔性基底上,制成可穿戴柔性能源器件，使人们的生活更加便捷。

　　二、世界发展现状与趋势

　　钙钛矿太阳电池领域的不断发展，引起了国内外研究人员的极大兴趣，更多关于钙钛矿太阳电池的成果涌现出来。

　　2009年，Miyasaka等首次将CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbI3作为光敏剂制成染料敏化太阳电池，效率达到3.8%，奠定了钙钛矿太阳电池发展的基础。

　　2011年，Park等人通过优化CH3NH3PbI3和TiO2的制备工艺，获得了6.5%的效率，但仍然使用液体电解质，10分钟后电池效率已衰减80%。为了解决此问题，2012年，Grätzel和Park等人首次用固态spiro-OMeTAD作为空穴传输层，制成了固态钙钛矿太阳电池，效率达9.7%。Snaith等人用Al2O3代替TiO2，用CH3NH3PbI2Cl作吸光层，效率达10.9%。

　　2013年，Grätzel等人改进了原有的一步法，采用两步连续沉积法制得的钙钛矿太阳电池的效率达15%。同年9月，Snaith等人采用双源蒸汽法制得平面异质结钙钛矿太阳电池，获得15.4%的能量转换效率。

　　2014年，华中科技大学韩宏伟等人采用全印刷方式制备无空穴传输层，用碳作电极的介孔结构钙钛矿太阳电池，其效率达到12.8%。Yang Yang等人进一步改进了钙钛矿结构层，采用过掺Y修饰TiO2层作电子传输材料，使钙钛矿太阳电池效率达19.3%。

　　2015年，Seok等人采用一种分子内交换的方法制备了以FAPbI3为吸光材料的钙钛矿太阳电池，获得20.2%的效率。Seok等人还改进了传统的溶液旋涂工艺，用滴涂的方法将甲苯滴在丁内脂和二甲基亚砜上，获得了致密均一的钙钛矿薄膜，实现了16.2%的能量转换效率。

　　2016年，韩国化学研究所(KRICT)与韩国蔚山科技大学(UNIST)共同开发的钙钛矿电池，效率更是达到了22.1%，成为目前能量转换效率最高的钙钛矿太阳电池。

　　由于有机金属卤化物在潮湿的光照条件下很容易分解，使得电池效率下降甚至失效。因此，为了实现钙钛矿太阳电池商业化的目标，除了高的能量转换效率，电池的稳定性也是亟待解决的问题。

　　Swarnkar等人利用经过修饰的纳米尺寸的α-CsPbI3量子点，制备得到了能在空气中稳定数月的α-CsPbI3薄膜，基于此制备的太阳电池能量转换效率可达10.77%。Grätzel等人将氧化态铷离子(Rb+)引入钙钛矿，得到RbCsMAFA材料，获得了21.6%的稳定效率。Bella等人通过光诱导自由基聚合在钙钛矿电池表面包覆一层氟化光敏聚合物，电池效率高达19%，并且6个月后，电池性能仍然完好地保持。

　　钙钛矿太阳电池效率记录不断被刷新，钙钛矿太阳电池的研究成果不断涌现。自2009年，钙钛矿材料应用于太阳电池，短短几年的时间，其能量转化效率已高达22.1%，远远超过了其他薄膜太阳电池，拥有广阔的商业化前景。

　　在上述快速发展过程中，钙钛矿太阳电池仍然存在一些急需解决和突破的问题。

　　第一，钙钛矿太阳电池的光电转换机理并不是很清楚，这对提高电池的光电转换效率缺乏理论指导。

　　第二，钙钛矿材料对水和氧气非常敏感，电池的稳定性很差。钙钛矿太阳电池在获得高效率的同时，如何提高电池的稳定性是难点。

　　第三，传统钙钛矿材料含有环境不友好的铅，开发制备无铅且高效的钙钛矿太阳电池是一大挑战。

　　第四，目前实验室研究制备的钙钛矿太阳电池有效面积很小，与满足大规模产业化的要求有一定的差距，如何制备大面积连续生产的钙钛矿太阳电池是一大问题。

　　国内外的研究方向主要集中在优化钙钛矿材料、界面调控、改进钙钛矿太阳电池的制备工艺、新材料和新器件结构的尝试方面。提高电池的效率和稳定性、寻找低成本高性能的光吸收层、进一步简化电池结构、改进封装工艺、实现大面积电池的制备是未来的主要研究方向。此外，材料的无铅化和柔性钙钛矿电池也是未来的热点研究方向。

　　三、我国发展现状与水平

　　近年来，面对钙钛矿太阳电池的快速发展，国内研究人员抓住机遇，取得了一些可喜的研究成果，研究水平快速提升。

　　2013年，香港科技大学杨世和小组报道了基于新型含溴的钙钛矿材料CH3NH3PbI2Br和一维TiO2纳米线阵列的钙钛矿太阳电池，能量转换效率达到4.87%，高于传统的纯碘钙钛矿活性层。大连化物所张文华小组用共轭聚合物PCBTDPP取代传统的spiro-OMeTAD获得了能量转换效率为5.55%的钙钛矿太阳电池，并具有极好的稳定性。

　　2014年，中科院物理所孟庆波小组报道了无空穴传输层的钙钛矿太阳电池，最高效率达到10.49%。国家纳米科学中心丁黎明小组采用NH4Cl作添加剂，改善钙钛矿太阳电池吸光层结晶和形貌，大幅提高了电池效率，填充因子达80.11%，能量转换效率达9.93%。

　　2015年，青岛生物能源所崔光磊小组发现了甲胺气体可修复钙钛矿晶体缺陷的作用，并得到15%的稳定效率。丁黎明小组设计一种新型钙钛矿/体异质结集成太阳电池，用窄带隙聚合物PDPP3T将钙钛矿太阳电池光响应从800 nm拓宽到970 nm。

　　2016年，丁黎明小组发明了PSS-Na改性PEDOT:PSS的新方法，CH3NH3PbI3作吸光材料时，可获得1.11V的Voc，能量转换效率达15.56%;CH3NH3PbBr3作吸光材料时，获得高达1.52V的Voc，是目前钙钛矿/PCBM电池最高的Voc。

　　此外，中科院等离子体所、清华大学、北京大学、天津大学等单位也在开展相关研究。

　　四、我国进一步发展重点与对策

　　我国是最大的能源消耗大国，但常规能源储量有限。太阳能储量丰富且潜在应用市场巨大，而光伏产品依靠技术进步和市场推动，将使成本下降到能与常规能源竞争的水平。因此，我国有必要将光伏产业发展成中国的支柱产业，并努力将我国发展成为光伏产业大国，预计钙钛矿太阳电池在其中将发挥巨大的作用。

　　钙钛矿太阳电池作为光伏领域的后起之秀，其发展并不成熟，需要国家层面的大力支持。

　　首先，钙钛矿电池领域是人才密集型、技术密集型的新兴领域，国家应高度重视人才的培养，推动科技创新。如加大实验室的科研投入，实施激励措施，激励科研人员开发领先的前沿技术。

　　其次，制定太阳能电池的标准体系和检测标准。目前国内的光伏行业并没有形成统一的标准，国家没有设立权威的检测机构，相关科研成果难以得到权威认证。

　　最后，国家要加大政策扶植力度。对企业给予适当的政策优惠，增加校企合作，加快前沿科研成果的转化。

　　在光伏领域，钙钛矿太阳电池已经掀起了一场以高效低成本器件为目标的新革命，要推动其进一步发展必须依靠科技进步。在国家的规划下，加强低成本制备工艺、高能量转换效率的绿色钙钛矿太阳电池开发，使之成为新一代低成本绿色能源产业的主流产品，使我国成为光伏领域领跑者。

　　本报告为科技创新战略研究专项项目“重点科技领域发展热点跟踪研究”(编号：ZLY2015072)研究成果之一。

　　本文特约编辑：姜念云