|
? 【材料+】说： 在2016年12月12日的《自然》新闻上，发布了一篇名为《2017 sneak peek： What the new year holds for science》（2017年值得期待的科学事件）中提到科学家将会几种注意力研究这种叫做钙钛矿的奇迹材料。文章的具体内容为“2017年下半年，价格低、厚度薄的太阳能电池将拉开市场化进程的帷幕，开始走出实验室。自2009年以来，钙钛矿基太阳能电池的效率一直在显著提升，但直到最近，研究者才在克服这一材料的一些严重缺陷（包括稳定性和毒性）上取得了重大进展。与此同时，他们也在推动着电池生产成本的下降。随着投资12亿欧元的欧洲X射线自由电子激光项目在德国汉堡上线，材料科学领域也会受到提振：这一设备让研究者得以研究瞬间的化学反应，以及原子尺度细节下的生物和物理过程。”其实在2016年就有报道称：钙钛矿将来要全面取代硅晶体材料。但是实际上钙钛矿取代硅晶体材料还有一段路要走。 提起钙钛矿电池，知道的人并不多；说起晶硅太阳能电池，早已家喻户晓。钙钛矿太阳能电池就是科学家们光伏电池研究的新尝试。在近期举行的MRS（美国材料科学研究学会）国际大会上，钙钛矿太阳能电池即将取代硅基太阳能电池统治地位的观点为大家所公认。其中在硅和其它光电材料上沉积钙钛矿层的方法再次获得转化效率的新突破，能阻碍钙钛矿太阳能电池商业化的主要问题就是稳定性的提高，科学家们也正在全力以赴的寻找解决方法。 钙钛矿材料是一类有着与钛酸钙（CaTiO3）相同晶体结构的材料，是 Gustav Rose 在 1839年发现，后来由俄罗斯矿物学家L. A. Perovski命名。钙钛矿材料结构式一般为ABX3，其中A和B是两种阳离子，X是阴离子。这种奇特的晶体结构让它具备了很多独特的理化性质，比如吸光性、电催化性等等，在化学、物理领域有不小的应用。钙钛矿大家族里现已包括了数百种物质，从导体、半导体到绝缘体，范围极为广泛，其中很多是人工合成的。太阳能电池中用到的钙钛矿（CH3NH3PbI3、CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbCl3等）属于半导体，有良好的吸光性。 钙钛矿太阳能电池因其所需的原材料储量丰富，制备工艺简单且可以采用低温、低成本的工艺实现高品质的薄膜而拥有诱人的前景。这些有着高质量晶体结构的薄膜甚至可以与在高温下以高成本获得的硅片的晶体质量媲美，实现柔性化和“卷对卷”式的规模化生产。为了挑战硅在太阳能电池领域的主导地位，制备钙钛矿电池还需要解决一些关键问题。目前，实验室中的电池样品只有指甲盖大小，其安全性和长期稳定性也有待大幅提升——对于研究人员而言，这将是一场艰苦的战斗。 钙钛矿太阳能电池是一种由有机材料和无机材料组合成的一种新型太阳能电池，和单晶硅／多晶硅／薄膜太阳能电池一样，都是将太阳能转化为电能的装置。和其他种类的太阳能电池相比，钙钛矿太阳能电池的成本低、制造便宜、具有柔韧性。2009年，日本桐荫横滨大学的宫坂力教授将碘化铅甲胺和溴化铅甲胺应用于染料敏化太阳能电池，获得了最高3.8%的光电转化效率，此为钙钛矿光伏技术的起点。此后，钙钛矿太阳能电池的结构设计和配套材料等持续进步，在短短7年间效率就提高到了22.1%。 在光伏技术领域，如此迅速的技术飞跃是从来没有过的。以主流的多晶硅技术为例，1985年，多晶硅太阳能电池的实验室效率是15%左右，到2004年增 长到20.4%，20年时间只增长了5个百分点；2004年到2015年，11年间只增长到20.6%，几乎没有任何进步。如图3所示，钙钛矿光伏技术在很短的时间内异军突起，迅速实现了对多晶硅技术的反超。目前钙钛矿太阳能电池的效率已经显著高于多晶硅，而且它的上升势头远未停止，在短时间内超过25% 看来绝非难事。那么为什么研究人员认为钙钛矿太阳能电池将有望超过硅所创下的效率记录？ 答案的关键就在材料内部可激发的电子和可自由移动的电子中。当阳光照射太阳能电池时，一些电子会吸收能量而脱离原子束缚。充满能量的受激电子会穿过材料中的晶格向一边移动，或从电池的一端逸出，或遇上一个障碍或陷阱从而释放出无用的热量。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。然而钙钛矿只要约100℃就可以去除绝大多数晶体缺陷。此时，被光激发的电子同样能够顺利地逸出钙钛矿，且不至于因为撞上过多的障碍物而损失太多的能量。 但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，太阳光能转化为电能的效率总有一个上限，这主要由半导体的“带隙”性质决定。带隙指的是使电子脱离束缚成为自由电子所需的最小能量。不同半导体通常具有不同的带隙，由此会导致一个两难境地出现：带隙越小，电池吸收的太阳光光谱范围就越大，也就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。即使太阳能电池材料的带隙处于最理想的大小，也只能转化约33%的太阳能。 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。 钙钛矿太阳能电池之所以具有可观的光电转换性能，材料本身优良的载流子传输能力是一个决定性因素，而这种性质极有可能赋予钙钛矿材料在其他更多领域“一展身手”的机会。 忆阻是指一类具有记忆响应的电阻，其具有的高、低阻两个电阻状态恰好对应了二进制中“0”和“1”两个状态，因此，忆阻器在信息存储及计算领域具有良好的应用潜力。相较于传统的存储材料，忆阻具有非易失性、低能耗、高开关比、快响应速度以及超越摩尔定律限制的能力等性质。在传统硅基半导体发展越来越接近极限的时代背景下，有关忆阻器的研究激发了广泛的研究兴趣。 近期陆续有相关工作报道了有机/无机杂化的钙钛矿材料的忆阻性质及其作为信息存储材料的潜力。北京大学化学与分子工程学院的邹德春教授研究团队，作为最早发现钙钛矿材料忆阻性质的科研团队之一，在之前的工作中，探究了钙钛矿的忆阻性质并对器件的性能进行了优化，在平面性钙钛矿忆阻器件上实现了非常高的开关比。最近，又基于多年研究纤维电子器件的经验，团队成功研制了第一个纤维形态的钙钛矿忆阻器件。这项研究工作大大丰富了钙钛矿忆阻领域的研究，并为其进一步发展开拓了新的思路。特别是纤维形态这个要素，有望推动钙钛矿材料在可穿戴存储/计算器件领域的全新应用。 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，如可以利用钙钛矿材料来制备其他类型的光电功能器件。此前，研究人员已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。 南京工业大学黄维院士、王建浦教授团队创新性地设计并制备了一种具有多量子阱结构的钙钛矿LED，LED器件外量子效率已达到11.7%，这是目前为止钙钛矿LED的世界最高纪录。这一重要研究成果于2016年9月26日刊登在国际顶级学术期刊《自然·光子学》上。其器件效率和稳定性远超国际同行报道的其他钙钛矿LED，为钙钛矿材料及其在发光领域的研究开拓了全新方向。 据王建浦教授介绍，他们研制的高效钙钛矿LED含有有机—无机杂化钙钛矿材料，兼具有机和无机半导体材料的优势，具有两大“利好”：一是，通常无机LED发光管采取点式发光，不能做显示屏，只有OLED才能做显示屏，但钙钛矿LED有别于传统无机LED，可以做显示屏，且呈像色彩更为鲜艳。二是，钙钛矿LED应用在照明上优势也很明显。其一改传统的LED室内照明点状发光为面状发光，使室内的光线不刺眼，更接近自然光，增加舒适度。传统无机LED只能做小面积，但利用这项成果可以做成类似天花板大的面积，且较之传统无机发光材料具有缺陷密度低、发光效率高、色纯度好等优势。 钙钛矿太阳电池要真正实现产业化和市场产品生产，还要面临着许多问题： 1、没有严格的器件性能评估方法。在评估太阳能电池性能方面，由于世界范围内各研究组的实验室条件有所不同，缺乏统一、严格的测量条件，所以在比较各研究组不同评测结果的时候，难以得到可靠的结论。尤其值得注意的是，目前很多钙钛矿太阳电池在测量电流电压特性的时候，其结果严重依赖测量方式。为了加快太阳电池的发展，使得不同研究组的结果可以得到可靠的比较和评估，尤其是获得高效率的结果，以及测量方式严重影响测量结果的时候，有必要在具有统一严格测量条件的公共平台上进行器件测试评估。 2、 电池效率的可重现性差。尽管目前报道的钙钛矿电池的效率在15%以上，但是存在重现性差的问题，表现为同一条件下制备出的一组电池，其效率数据也存在很大的统计偏差；这导致难以进一步深入细致的研究，因此必须提高钙钛矿太阳电池的可重现性。 3、 材料对空气和水的耐受性以提高器件的稳定性差。目前使用的钙钛矿材料存在遇空气分解、在水和有机溶剂中溶解的问题，导致器件寿命短，因此需要开发出对空气和水稳定的电池材料或者从封装技术上解决这个问题。 4、 电池材料有毒。目前的高效率钙钛矿电池中的吸光材料普遍含有铅，如果大规模使用将会带来环境问题，因此需要研发出光电转换效率高的无铅型钙钛矿材料。 5、 急需商业化器件开发。由于大面积薄膜难以保持均匀性，目前报道的高效率钙钛矿电池的工作面积只有0.1平方厘米左右，离实用化还存在相当远的距离，因此需要发展出从实验室平方厘米量级到规模化应用平方米量级性能稳定的钙钛矿太阳电池器件制备技术。 除此之外，相信大家还有一个疑问，如果没有太阳能来源，或者太阳能来源不足的时候，在室内使用的钙钛矿设备怎么办呢？ 最近芬兰的一个研究团队第一次发现钙钛矿具有从多个来源同时转换能量的特性，将太阳能，热能和动能同时转化为电能。而这种钙钛矿矿物就是KBNNO（或Ba，Ni共改性的KNbO 3纳米晶体），虽然它不如钙钛矿太阳能电池那样提供非常大的电能，但它可以用于现在越来越普及的电子设备，如手机和笔记本电脑，以及各种智能小工具上。需要耗电的传感器和设备将可以持续供电，这个发现将会推动物联网和智能城市的发展。 同所有的钙钛矿一样，KBNNO是一种铁电材料，当铁电材料经历温度变化时，它们的偶极子失准，并且导致电流产生。这种性质被称为热电性。KBNNO也同样是光伏 ，这意味着当暴露在阳光下它可以产生电流。另外它也是压电体，这意味着它可以将由运动引起的压力变化转换为电能。在室温下测试这种钙钛矿物质属性时,他们发现该物质在单一能源转换为电能时远远超过其他钙钛矿,事实上它可以同时转换3个不同能源为电能，这也使得特定情况下它更有价值。 新的种类的钙钛矿的发现，也在不断的推进着钙钛矿太阳电池的应用及商业化。通常矿物开发到市场化应用程度，需要一个相当长的过程。这也表明我们对于地球矿物质的特性了解的只是冰山一角。尽管钙钛矿的未来依旧困难重重，但在能源紧缺的今天，人们不会放弃任何产生新能源的机会。也许有一天，人类就要靠它来提供电力了，我们就可以彻底和烦人的每天充电说再见了！ |
|
|
