了解鈣鈦礦太陽能電池

鈣鈦礦太陽能電池

如今化石燃料的使用造成環境問題的日益加劇，可持續能源引起了人們的廣泛關注，太陽能因其清潔環保成為研究的熱點，太陽能電池是對太陽能直接利用的方式之一。近年來，有機無機雜化鈣鈦礦電池因為快速增長的轉換效率，優異的器件性能以及獨特的光電性質吸引著人們廣泛研究，最新的太陽能電池認證效率達到22.7%，已經可以和傳統的硅基電池媲美。然而，鉛的毒性是限制其商業應用的致命弱點。因此，尋找高效無鉛鈣鈦礦太陽能電池是亟待解決的問題。

鈣鈦礦太陽能電池工作原理

在接受太陽光照射時，鈣鈦礦層首先吸收光子產生電子-空穴對。由于鈣鈦礦材激子束縛能的差異，這些載流子或者成為自由載流子，或者形成激子。而且，因為這些鈣鈦礦材料往往具有較低的載流子復合幾率和較高的載流子遷移率，所以載流子的擴散距離和壽命較長。

激子生成示意圖這一奇妙的過程大致如圖：太陽光入射到電池吸收層后隨即被吸收，光子的能量將原來束縛在原子核周圍的電子激發，使其形成自由電子。由于物質整體上必須保持電中性，電子被激發后就會同時產生一個額外的帶正電的對應物，物理學上將其叫做空穴。這樣的一個“電子--空穴對”就是科學家們常說的“激子”。激子被分離成電子與空穴后，分別流向電池的陰極和陽極。

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鈣鈦礦太陽能電池量產進展

鈣鈦礦作為一種人工合成材料，在 2009 年首次被嘗試應用于光伏發電領域后，因為性能優異、成本低廉、商業價值巨大，從此大放異彩。近年，全球頂尖科研機構和大型跨國公司，如牛津大學、瑞士洛桑聯邦理工學院、日本松下、夏普、東芝等都投入了大量人力物力，力爭早日實現量產。

2017 年 2 月，纖納光電以 15.2%的轉換效率，首次打破此前長期由日本保持的鈣鈦礦小組件的世界效率紀錄。此后，分別在當年5 月和12 月，以 16%和 17.4%的轉換效率實現了一年三破世界紀錄的佳績。這一次，他們又將鈣鈦礦小組件轉換效率提升至 17.9%，穩態輸出效率達 17.3%。該結果再一次證明了中國科學家在鈣鈦礦領域的技術領先優勢。

鈣鈦礦太陽電池發展現狀良好，但仍有若干關鍵因素可能制約鈣鈦礦太陽電池的發展：比如：電池的穩定性問題。吸收層中含有可溶性重金屬Pb?，F今鈣鈦礦應用最廣的為旋涂法，但是旋涂法難于沉積大面積、連續的鈣鈦礦薄膜，故還需對其他方法進行改進，以期待能制備高效的大面積鈣鈦礦太陽電池, 便于以后的商業化生產。鈣鈦礦太陽電池的理論研究還有待增強。

近日，Nano Energy在線發表了北京大學物理學院人工微結構和介觀物理國家重點實驗室朱瑞研究員（通訊作者）團隊的題為“Low-dimensional perovskite interlayer for highly efficient lead-free formamidinium tin iodide perovskite solar cells”的文章。北京大學物理學院博士研究生陳科和伍攀為該論文的共同第一作者。在這項研究工作中，研究者創新性地在無鉛鈣鈦礦吸光層和空穴傳輸層中間引入低維鈣鈦礦中間層，有效地改善了界面處鈣鈦礦薄膜的形貌并且減少了缺陷態，抑制了器件中載流子的積累和復合，最終得到效率高達7.05%的無鉛FASnI3鈣鈦礦太陽能電池。

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注

介觀物理學是物理學中一個新的分支學科。“介觀（mesoscopic）”這個詞匯，由Van Kampen于1981年所創，指的是介乎于微觀和宏觀之間的尺度。介觀物理學所研究的物質尺度和納米科技的研究尺度有很大重合，所以這一領域的研究常被稱為“介觀物理和納米科技”。