互动科普

钙钛矿太阳能电池能量转换效率的最新记录是20.1%，是由韩国化学技术研究所（Korea Research Institute of Chemical Technology）在2014年11月创下的，这一新纪录宣告这类电池的效率在三年内增加到了原来的五倍。相比之下，经过十几年的发展，最先进的硅太阳能电池效率最高也就25%，而钙钛矿研究者们已经在追赶这一目标。我们也希望通过一些高科技企业让钙钛矿太阳能电池能够进军商业领域。例如本文作者斯奈思（Snaith）合作创建的牛津光伏（Oxford Photovoltaics），就在为这一目标而不懈努力。

钙钛矿前景如此诱人，有以下几种原因：所需的原材料储量丰富，制备工艺简单，可以采用低温、低成本的工艺实现高品质的薄膜；此外，这些薄膜有着高质量的晶体结构，可以与在高温下以高成本获得的硅片的晶体质量媲美。此外，可采用“卷对卷”的方式生产出超薄、柔性的钙钛矿薄膜，相比之下，基于硅片的太阳能电池则比较厚重，也不适于弯折。或许在未来，用一种专门的打印机就可以快速成卷地生产出轻质、可弯曲甚至是彩色的钙钛矿太阳能薄片或涂层。

然而，为了挑战硅在太阳能电池领域的主导地位，钙钛矿电池还需要克服一些关键的问题。如今实验室中的电池样品只有指甲盖大小，为了能与硅太阳能电池板竞争，研究者们必须想办法增大电池面积。此外，钙钛矿太阳能电池的安全性和长期稳定性也有待大幅提升——这将是一场艰苦的战斗。

效率之战

迄今为止，硅电池的最高能量转换效率可达到25.6%。那么，为什么太阳能电池无法将太阳光能量100%地转化为电能呢？以及，为什么钙钛矿太阳能电池有望超过硅所创下的效率记录？

答案的关键就在材料中可激发的电子和可自由移动的电子中。当太阳能电池处于黑暗中时，材料中的电子被它们各自的原子所束缚，此时没有电流。但是当阳光照射太阳能电池时，一些电子就会吸收能量而脱离原子束缚。充满能量的受激电子穿过材料中的晶格向一边移动，要么从电池的一端逸出，然后作为有用的电流被电极迅速转移走，要么遇上一个障碍或陷阱，从而失去能量，释放出无用的热量。

晶体质量越高，晶体结构中会让电子脱离正常路径的缺陷就越少。对于硅太阳能电池中的硅材料来说，通常需要采用高达900℃的高温加热处理，以便尽可能地降低缺陷浓度。然而，钙钛矿的加工温度就要低得多，只要约100℃就可以去除绝大多数晶体缺陷。于是，被光激发的电子同样能够顺利地逸出钙钛矿，不至于因为撞上过多的障碍物而损失太多的能量。太阳能电池的供电能力，取决于逸出电池的电子流量（电流）和这些电子携带的能量 （电压） 之积。由于钙钛矿太阳能电池的加工条件更为简易，因此，它实现相似效率所需的加工成本就比硅太阳能电池更具优势。

但是，对于任何基于半导体材料（例如硅或钙钛矿）制成的太阳能电池而言，其将太阳光能转化为电能的转化效率总有一个上限，这主要是由半导体的“带隙”性质决定的。带隙是指使电子脱离束缚成为自由电子所需的最小能量，太阳光包含各个波长的光，但只有能量超过带隙能量的光才能为电子吸收，其他波长的光则不会对材料产生任何作用。

不同半导体通常具有不同的带隙，由此出现一个根本性的两难境地：带隙越小，电池吸收的太阳光光谱范围就越大，从而可以利用更多的光能来激发电子，但每个电子的能量也会更低。由于太阳能电池输出的电能是由电子的数量和每个电子的能量共同决定的，即使太阳能电池材料的带隙处于最理想的大小，也只能转化大约33%的太阳能。

硅的带隙宽度固定不可变，也不是最理想的大小，但是它仍主导着太阳能产业，因为人们对硅材料的制备技术了如指掌。然而，在制造钙钛矿时，研究者们可以通过改变原料的成分来调节它的带隙宽度，因此，钙钛矿太阳能电池在效率上超越硅电池是可能的。研究者们还可以将带隙宽度不同的钙钛矿层叠加在一起，变成叠层钙钛矿太阳能电池，这在理论上就可以突破33%的效率极限，有预测指出，基于叠层结构的太阳能电池可以将太阳能的利用率提高到46%。

旧材料，新用途

自从19世纪以来，矿物学家就已经在地壳中发现了天然的钙钛矿。20世纪80年代，科学家们认为钙钛矿可以形成高温超导体，这种晶体也因此出现在了1988年出版的《科学美国人》封面上，至今仍有研究工作持续进行。在过去的二十多年中，工程师们也尝试了人造钙钛矿材料在电子器件领域的可行性，但是他们却没意识到这类材料或许可以被用于太阳能电池。

到2009年，桐荫横滨大学的研究组才首次将人造钙钛矿制成了太阳能电池，他们所选用的钙钛矿型材料是一种含有卤素和铅元素的钙钛矿型卤铅化合物，这种材料早在1978年就被合成出来了。研究者们将挑选出的化学物质溶于溶液中，然后将溶液均匀涂布到快速旋转的玻璃片上并干燥。干燥后，玻璃片上会形成一层纳米厚度的钙钛矿膜，这与蓄潮池中海水蒸发析盐的过程类似。这层薄膜能吸收太阳光产生电子，但是效果不太好。研究者们在钙钛矿纳米晶粒的两侧加上具有特定功能的薄层材料，以使电子能够更好地传输到外电路中，从而提供可用的能量。

起初，基于钙钛矿材料的太阳能电池效率只有3.8%，并且非常不稳定，几个小时内性能就会显著降低。李通过优化钙钛矿的成分，并对电池结构中的其他功能层进行改进，使其效率突破了10%。瑞士洛桑联邦理工学院的迈克尔·格雷策尔（Michael Grätzel）和韩国成均馆大学的朴南奎领导的研究组也取得了类似的进展。

最近，在一些巧妙的创新技术驱动下，电池效率挺进了20%。在电池的制备过程中，制造无缺陷的晶体薄膜需要复杂的沉积方法，因此韩国化学技术研究所的石相日带领其研究组发明了一种多步薄膜生长工艺，可以得到更加规整的晶体薄膜。在对该工艺进行优化后，石相日在2014年接连三次创下电池效率记录——从16.2%到20.1%。

除了沉积工艺的优化之外，科学家也简化了电池中的一些功能层，使最新的钙钛矿太阳能电池看起来跟硅电池更像，都是一些薄层的简单堆积。对硅电池而言，正是这种简单的层状设计降低了生产成本，促进了大批量生产。最近科学家们发现，通过向加热过的玻璃片上滴上热溶液的方法，可以使晶体比最开始增大几个数量级。此外，钙钛矿晶体薄膜的结晶性正在持续改善中，这样的发展趋势着实令人振奋。

与此同时，科学家们也在探索钙钛矿太阳能电池其他一些新颖的特质和应用。通过改变化学配比，电池可以呈现不同程度的黄色或者红色。如果在玻璃片上沉积孤岛状、不连续的的钙钛矿材料，得到的薄膜可以呈现出不同程度的透明度。结合这些独特的性质，建筑师们就可以用色彩斑斓的钙钛矿太阳能薄膜来设计天窗、窗户和建筑物外观，相比之下，坚硬、蓝黑色不透明的硅太阳能电池就稍逊一筹了。试想，要是用钙钛矿太阳能电池来装饰摩天大楼的窗户，不仅能使建筑物呈现绚丽多彩的外观视觉效果，同时还能在为室内遮挡炎炎日光，并将光能转化为电能，这样既减少了室内的制冷费用，又为建筑物提供了清洁的能源——如此一举多得的效果还是值得期待的。

商品化的漫漫长路

在实现这些愿景之前，钙钛矿还有很长的路要走。虽然最近韩国和澳大利亚的研究者们演示了10cm×10cm的可打印太阳能电池（这已经是具有商业竞争力的尺寸了），但最高效的电池仍只是在小面积样品上获得的。实验室和科技创业公司里的研究人员在努力提高电池尺寸的同时，还必须满足三个商业化的基本需求：确保电池在几十年内能够实现稳定的电能输出，设计出一款能让消费者在家里或建筑物上放心使用的产品，还要制定出标准化的效率测量方法，避免钙钛矿电池效率测量值的虚高。

目前来看，稳定性是钙钛矿太阳能电池最致命的弱点。由于它们对潮湿环境敏感，暴露在潮湿空气中会很快分解，因此必须对它们进行防水封装。我们在惰性氛围中制造、用环氧树脂封装的电池，可以在持续光照下保持长于1 000小时的稳定电能输出。中国华中科技大学的研究者们与格雷策尔合作，研究出即使不封装也能让钙钛矿电池稳定输出1 000小时以上的方法。在最近发表的工作中，他们在沙特阿拉伯的户外放置了试验电池板，以此证明他们的设计在现实条件下也能够运作。在材料研究学会（Materials Research Society）最近一次于旧金山召开的会议上，我们公布了牛津光伏公司的最新成果，表明钙钛矿太阳能电池能够在全太阳光照下稳定输出长达2 000小时以上。

然而，按照产业界惯例，一块太阳能电池板需要有25年的质量保证，相当于在恒定、明亮的太阳光下工作约54 000小时。因此，找到一种能够在较大温度范围内长时间可靠工作的水汽阻隔技术十分重要。硅生产商们通过用玻璃板把硅电池薄片分隔开来以实现水氧阻隔的目的，这很适合在地面上大规模安装的硅电池，但是，钙钛矿的主要优势之一就是可以实现更轻质、更柔韧的柔性薄膜太阳能电池，如果再依赖玻璃板封装技术，那就丧失了钙钛矿电池的优势，因此，开发出更有效的封装技术，可能会给钙钛矿电池带来更广泛的应用前景。例如，可以把它们制成太阳能装饰板安装在墙壁或者窗户上，这样就能产生清洁的电能。

幸运的是，在封装技术方面有其他领域的经验可以借鉴。有一些公司试图将其他材料（如铜铟镓硒半导体）制成商业化的柔性太阳能电池产品，并取得了一些进展。他们的封装技术效果不错，但是由于这些电池效率低于硅电池，价格又更高，因此很难从硅太阳能电池那里抢夺市场份额。钙钛矿太阳能电池可以实现更高的效率，生产成本也更低，通过借鉴其他柔性太阳能材料的封装技术，有望在光伏市场上取得一定的市场占有率。

钙钛矿电池封装的重要性，不仅在于需要将水分隔绝在外，同样重要的一点是要将电池中的化学成分密封在内，因为钙钛矿的成分中含有微量的铅。铅有毒性，因此为了投入市场，就需要充分的证据来证明钙钛矿太阳能电池能够安全地产生电能。在材料毒性和安全性方面，钙钛矿太阳能电池也可以借鉴基于碲化镉材料的太阳能电池技术。尽管碲化镉材料中的镉元素同样具有毒性，但碲化镉太阳能电池是唯一一个除了硅之外在商业上已经取得成功的新型太阳能电池技术，这或许可以为钙钛矿太阳能电池的研究带来一些启发。

由第一太阳能（First Solar）公司制造的碲化镉太阳能电池板已经遍及世界各地。虽然镉的毒性比铅大得多，这些电池仍然能够通过安全标准评估。第一太阳能已经让社会相信其太阳能电池板密封良好，即使是在1 000℃的沙漠野火中也不会产生镉泄漏。虽然这些电池板使用的是玻璃作为电池基板，不具备钙钛矿电池所期望的轻质、柔性的优点，不过，钙钛矿企业还是可以从第一太阳能的成功案例中学习可靠的封装技术和严格的测试方案。

同时，美国麻省理工学院的安杰拉·贝尔彻（Angela Belcher）和同事们最近在铅的处理方面也取得了一项令人振奋的进展：他们证明，车用铅酸蓄电池中的铅可以被安全地回收再利用，并用于制造钙钛矿电池，该成果会给钙钛矿电池带来环境上的加分项。贝尔彻估计，一块车用电池中所含的铅足以制造约700平方米的钙钛矿电池。如果这些太阳能电池的光电转换效率都按照20%计算，那么在光照丰沛的地区（如拉斯维加斯），它们就可以为30户家庭提供充足的电能。   

解决安全问题的另一条途径就是完全取消铅的使用。笔者所在的团队和西北大学的另一个研究组都曾发表相关文章，报道了用锡代替铅制备钙钛矿电池的初步结果。然而，含锡电池在效率和稳定性上都逊色于含铅电池，因为锡会使钙钛矿晶体薄膜逐渐失去晶体结构，这会削弱电子逸出电池的能力。要使锡太阳能电池与铅有同样的长期性能，还需要有新的重大进展才行。

除了这里提到的几点之外，研究者们还要面对一个小问题。有人曾指出，在钙钛矿太阳能电池的测试过程中，由于电池通常存在滞后效应，测得的钙钛矿太阳能电池的效率可能存在虚高的假象。在测量中，带电分子从电池的一端迁移到另一端的过程可能会让读数跳动一下，这会使电流显得更高。不过，这种离子迁移的过程是非常短暂的。科学家们正在寻找消除它的方法，但也有一个简单的途径可以暂时解决这个问题——即在迁移过程完成后，再测试电池在一定时间内的稳定输出效率。大多数情况下，这种方法测出效率读数和迅速的初始测量差不多，但是研究者们往往倾向于报道两者中数值更高的一个。我们正在与世界各地的研究人员展开合作，共同致力于建立电池测量的标准化流程，以使结果经得起高标准的严格审查。

 最后，为了在商业上获得成功，钙钛矿的变革者们需要给出一个在经济上更具说服力的理由，以吸引足够的投资来扩大生产规模。虽然钙钛矿电池所需的原材料十分充足，而且在较低的温度下使用廉价的设备就可以进行生产，但钙钛矿太阳能电池的生产商和研发人员千万不该误以为他们有了与硅竞争的实力。让钙钛矿电池总体费用低于硅电池板是很难的，因为大部分安装费用并非取决于电池板本身的价格，而是取决于所谓的“周边系统成本”（balance of system），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。2014年，美国居民家庭安装太阳能电池板的平均成本为3.48美元/瓦，但实际上太阳能电池板本身的价格仅为72美分/瓦。即使钙钛矿电池板已经相当廉价，能够达到研究者们预想的0.1～0.2美元/瓦，但电池板本身价格的降低也只能把最终安装费用减少一点点。

不过，钙钛矿太阳能电池厂商们可以通过开发效率高于硅电池的产品，在这些小小优势的基础上进一步节约成本。占用的土地或屋顶空间越小，需要的劳动力和设备就更少，因此一块高效的钙钛矿太阳能电池板就可以减少产生每瓦电能所需的总安装费用。一个更具开创性的想法是，将钙钛矿太阳能电池的应用拓展到硅所不能及的领域，例如将钙钛矿薄膜整合进墙壁、屋顶和窗户的建筑材料中。

与硅电池结盟

根据目前的情况看，钙钛矿电池要想挤进现有的光伏市场，与其作为硅电池的竞争者，不如与硅电池结成联盟。钙钛矿太阳能电池完全可以借助硅电池现有的基础，进入一个五百亿美元的光伏市场。

在硅层上方加一层钙钛矿太阳能电池，可以将二者结合，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，而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。斯坦福大学和麻省理工学院的研究者们最近将一块钙钛矿电池叠在一块封装好的硅电池上，将效率从硅电池原始的11%提升至17%。他们也将钙钛矿层叠在未封装的硅电池上组装了一个整体的叠层电池，尽管其效率只有14%，但研究人员相信通过工艺改进，这个数字一定会提高。基于这两个实验，研究者们认为在未来，如果将最好的硅组件和最好的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。

如果一块叠层太阳能电池板的转换效率可以达到30%，那么周边系统成本将会大大降低：与效率为20%的电池板相比，提供相同电能所需的电池板数量可以降低三分之一，这大大减少了所需的屋顶或地面空间，也节省了安装材料、劳动力和设备。斯奈思所创办的牛津光伏公司就正在与传统的硅电池生产商们合作，希望在硅电池上叠加钙钛矿涂层以大幅提升硅电池的效率，公司的目标是今年实行叠层电池试产。此外，如果能将廉价太阳能涂层整合进屋顶材料或窗户材料，也将彻底改变一栋太阳能建筑的整体成本结构。

逆向拓展

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，比如可以利用钙钛矿材料来制备其他类型的光电功能器件，这些功能器件将来或许也能走向商品化。最近，我们与剑桥大学的同事合作，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，而不是吸收光。

 这种逆向的思维过程其实不足为奇：世界上最高效的太阳能电池——砷化镓电池，在反向工作时就是一个LED。廉价、可印刷的LED和激光器可以带来一系列引人注目的应用，比如大规模照明或者医学成像。

当然，针对这种新颖产品的研究刚刚开始，但我们认为这一领域将会越来越受关注。钙钛矿材料的研究让科学家们觉得自己像糖果店里的孩子：它的性质几乎满足我们的愿望清单上所有的条件，包括效率高、成本低、重量轻、柔性和美观。要想完全实现钙钛矿类材料的潜力，超越硅时代，需要全球的学术界、工业界和政府联合起来，通力合作。不过，考虑到收获的将是廉价的清洁能源和新一代电子器件，我们认为，钙钛矿值得一搏。