鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，科學(xué)家們?cè)?a href="http://www.asorrir.com/article/zt/" target="_blank">最新研究中發(fā)現(xiàn)，一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率或可高達(dá)22.1%，為目前市場(chǎng)上太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率的2倍，能大幅降低太陽(yáng)能電池的使用成本。

盡管研究團(tuán)隊(duì)還沒有演示以新材料為原料制造的高效太陽(yáng)能電池，此項(xiàng)研究已成為此前諸多研究強(qiáng)有力的補(bǔ)充，證明了擁有獨(dú)特晶體結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦有望改變太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的面貌。當(dāng)前市場(chǎng)上占主流的太陽(yáng)能電池以硅和碲化鎘為材料，達(dá)到目前的轉(zhuǎn)化效率歷時(shí)10多年;而鈣鈦礦只花了短短4年時(shí)間的研究，有鑒于此，即使業(yè)界保守人士也對(duì)鈣鈦礦非常看好。

該研究的領(lǐng)導(dǎo)者、賓夕法尼亞大學(xué)能源創(chuàng)新研究中心聯(lián)合主任安德魯˙阿姆表示，以新式鈣鈦礦為原料制造的太陽(yáng)能電池能將大約一半的太陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)化為電力，為目前的2倍，因此，只需一半太陽(yáng)能電池就可提供同樣的電力，這將大大減少安裝成本，從而讓總成本顯著降低。

另外，阿姆說(shuō)，與傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池材料不同，新材料并不需要電場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生電流，這將減少所需材料的數(shù)量，產(chǎn)生的電壓也更高，從而能增加能量產(chǎn)出;而且，新材料也能很好地對(duì)可見光做出反應(yīng)，這對(duì)太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)意義重大。

鈣鈦礦材料現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用于太陽(yáng)能電池、LED、激光器甚至催化等領(lǐng)域，儼然有成為“萬(wàn)能材料”的趨勢(shì)。放眼望去，染料敏化太陽(yáng)能電池的創(chuàng)始人Gr?tzel早早就在有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦領(lǐng)域搶占了一席之地，納米大牛Paul Alivisatos（Nano Letters主編）、華人納米大牛楊培東（JACS副主編）等等在無(wú)機(jī)鈣鈦礦領(lǐng)域也聲名顯赫……材料領(lǐng)域的老師們?nèi)缃褚娒嬲f(shuō)的最多的一句話可能就是——“你們做鈣鈦礦了沒？”貌似在材料界混，你不做鈣鈦礦就out了。今天我們解讀的文章也與鈣鈦礦有關(guān)，涉及科學(xué)家們?cè)阝}鈦礦太陽(yáng)能電池（perovskite solar cells）穩(wěn)定性上的重大突破。

在短短幾年時(shí)間中，有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦的薄膜太陽(yáng)能電池已經(jīng)取得了超過(guò)22%的能量轉(zhuǎn)換效率。但是，其環(huán)境穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性相對(duì)較差，一直是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。目前的較佳解決方案是利用二維Ruddlesden-Popper鈣鈦礦制備薄膜，獲得較高的穩(wěn)定性。但是，該類鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率卻非常低，之前最高只有4.73%。這主要是因?yàn)閮蓪逾}鈦礦面板之間的有機(jī)陽(yáng)離子阻擋了電荷的有效傳輸，起到絕緣空間層的作用，類似于兩層中間夾雜了絕緣體，抑制了電荷的面外傳輸。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池

最近，美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Los Alamos National Laboratory）的Aditya D. Mohite課題組制備了一種接近單晶的二維鈣鈦礦薄膜。其無(wú)機(jī)鈣鈦礦成分的晶面相對(duì)于平面太陽(yáng)能電池中的觸點(diǎn)進(jìn)行面外取向排列，有利于電荷傳輸，避免了之前二維鈣鈦礦的缺陷。未包封的二維鈣鈦礦器件，其光電轉(zhuǎn)換效率能夠在持續(xù)光照2250小時(shí)后仍保持在初始值的60%以上，而且能耐受65%的相對(duì)濕度，這些性能都大大超過(guò)了三維鈣鈦礦電池器件。當(dāng)器件進(jìn)行包封后，在連續(xù)光照或者潮濕環(huán)境中，效率沒有出現(xiàn)明顯降低。（High-efficiency two-dimensional Ruddlesden-Popper perovskite solar cells. Nature， 2016， DOI： 10.1038/nature18306）

二維鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)及其薄膜的相關(guān)表征

在制備鈣鈦礦薄膜過(guò)程中，如果用相同的二維鈣鈦礦材料，使用傳統(tǒng)的旋涂方法制備的器件，其效率只有3%-4%。而Mohite等人使用加熱過(guò)的基板（110 ℃左右），得到了性能更好的鈣鈦礦薄膜。研究人員認(rèn)為由于在熱基板上甩膜，會(huì)形成優(yōu)良的結(jié)晶，從而形成了連續(xù)的電荷傳輸通道，其電荷卻不會(huì)被絕緣層而阻擋。如下圖掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）圖像所示，明顯可以看出室溫基板上旋涂的鈣鈦礦的結(jié)晶呈現(xiàn)無(wú)序型，而預(yù)熱基板上旋涂的鈣鈦礦薄膜則呈現(xiàn)較好的結(jié)晶有序型。

GIWAXS圖像。a） 在室溫基板上旋涂的鈣鈦礦，b） 在加熱的基版上旋涂的鈣鈦礦

之后作者將該材料應(yīng)用于平面異質(zhì)結(jié)的光伏器件中，得到了12.51%的最高效率，其中開路電壓可以得到1.01V，這比正常三維鈣鈦礦制得的器件的開路電壓（一般是0.7-0.9V）要高。

太陽(yáng)能電池的相關(guān)光伏數(shù)據(jù)

之后作者研究了不同掃描方向以及不同電壓延遲時(shí)間下電流針對(duì)電壓的變化，發(fā)現(xiàn)在這些例子中均沒有出現(xiàn)遲滯效應(yīng)。隨后，作者利用電容-電壓測(cè)試探討了其沒有遲滯現(xiàn)象的原因。

含這種二維鈣鈦礦材料的太陽(yáng)能電池的光穩(wěn)定性及在潮濕環(huán)境中的穩(wěn)定性相當(dāng)出色，當(dāng)器件進(jìn)行包封后，在持續(xù)光照或者潮濕環(huán)境中（相對(duì)濕度65%），效率沒有出現(xiàn)任何明顯的降低（如下圖）。

太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性