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为什么钙钛矿太阳能电池会在短期内就这么火？还得从钙钛矿材料本身说起。一般来说，我们所谈到的钙钛矿材料，可用化学通式表示为ABX3（A＝短链有机胺离子或者碱金属离子，B＝铅、锡、锗，X＝卤素离子）。在ABX3的结构中，每个A离子与12个X离子相连，每个B离子与6个X离子相连，从而形成[BX6]八面体共角延伸的三维结构。其显著优点是，即使采用低成本溶液法，也能形成拥有良好结晶度的高质量的膜。研究发现，该类材料系直接带隙半导体，不仅具有良好的吸光性，而且具有非常优异的平衡的电子空穴输运特性。日常制备的钙钛矿膜其载流子扩散长度就可达几百纳米，使得这类材料不再局限于多孔二氧化钛结构，而能适用于简单的平面结构。在更深层次上，这些优异的性质源于材料的特殊电子结构和键合形式。有趣的是，这种材料的特殊性使得缺陷即便存在，也只属于良性缺陷，从而最大限度地减小了对器件的负面影响。总而言之，钙钛矿的优异光电性质使它有着深远及广阔的器件意义，为研制新一代高效太阳能电池提供了不可多得的材料基础。 到目前为止，常探索的钙钛矿太阳能电池的基本结构包括n-i-p、p-i-n及碳基型。一个典型的p-i-n型结构，即钙钛矿层被夹在附着在导电透明玻璃上的p-型NiO和n-型富勒烯之间。近年来，人们通过改进钙钛矿层，或者选择更为适合的电荷传输材料，构建纳米结构、界面以及提高成膜特性，让电池最大限度的吸收太阳光，使得两端电极能收集更多的电子空穴，从而获得更加高效率的钙钛矿太阳能电池。显而易见，提高光子捕获效率和光生载流子收集效率，是提高太阳能电池效率的关键因素。国际国内的同行做了大量的工作。 但限于篇幅，这里仅对最近发表的几篇论文做一个简单介绍。近日，上海交通大学韩礼元教授团队在Nature上发表研究成果，实现了大面积高效率钙钛矿太阳能电池制备；中科院大连化物所韩克利团队在J. Phys. Chem. Lett. 上发表论文，合成了一种非铅、稳定的二维锗基钙钛矿材料；ACS Energy Lett.发表了美国布朗大学Yuanyuan Zhou教授和 Nitin P. Padture 教授的前瞻性综述：气体诱导的有机无机杂化钙钛矿材料的形成与转变。 韩礼元团队用了3年时间解决钙钛矿薄膜的面积越大电池效率越低的问题，在大面积高质量钙钛矿薄膜制备的基础上，开发了有效面积36.1 cm2的钙钛矿电池模块，在国际认证机构首次获得了12.1%的认证效率，建立了第一个大面积钙钛矿模块的效率世界纪录。这一成果的出现意味着未来钙钛矿光伏技术有了走出实验室、实现大规模产业化的可能。研究团队采用了用甲铵制服甲铵的方法让气体中的甲铵分子和钙钛矿材料中的甲铵离子进行反应，将生成物混合后就可以得到钙钛矿材料的液体。这种液体可以快速释放出甲铵气体变成钙钛矿固体，而释放出的甲铵气体可以再次被用于与碘化甲铵固体粉末和碘化铅固体粉末进行反应，实现材料的循环利用。 薄膜制备方法上，研究人员采用的是一次成形的压力辅助制备方法，通过控制压力把液体材料涂布在平板基底上，就得到了均匀分布的液体薄膜。 沉积钙钛矿薄膜的压力加工方法图(来源:Nature) 韩克利团队合成了一种二维锗基钙钛矿材料：(PEA)2GeI4。该二维钙钛矿结构是由有机的苯乙胺层和无机的碘化锗层组成，层与层之间由范德华力连接，层间距为1.65 nm。DFT计算表明该材料为直接带隙，带隙值为2.17 eV，与由固体紫外吸收测得的带隙相一致，意味着它适合用于串联电池。该二维锗基钙钛矿材料在室温下可以发出荧光，寿命超过1 ns，显示出良好的光伏应用潜力。此外，引入长链有机阳离子形成的二维层状结构有效提高了钙钛矿的稳定性。该工作拓宽了二维层状钙钛矿的研究范围，为非铅钙钛矿的发展提供了新的思路。 暴露于25℃相对湿度60％的MAGeI3（a）和（PEA）2GeI4（b）的PXRD。星号表示GeI4的信号。 （来源：J. Phys. Chem. Lett.） Zhou和 Padture 教授团队近年来致力于研究气体，特别是胺基气体，诱导下有机无机杂化卤化物钙钛矿的化学行为，取得了一系列的重要成果。这篇综述回顾了包括他们在内的世界上多个课题组在该领域的主要工作, 畅想了未来该领域的发展方向,并强调了包括理论计算以及原位表征在内的机理性研究的重要性。 未来研究内容展望:（A）甲胺气体诱导钙钛矿“液化”过程的理论计算； (B) 探索非经典结晶机理在气体-钙钛矿作用过程的存在性和重要性；（C）气体诱导下形貌保留的钙钛矿相变的预测反应机理;（D）可未来研究的不同气体-钙钛矿组合（来源：ACS Energy Lett.） |
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说到太阳能电池，离不开材料。最早的有实用价值的太阳能电池，是用单晶硅材料制成的。这种单晶硅太阳能电池从20世纪50年代诞生至今，能量转换效率已达到25%。虽然经历了60多年的研发努力，此类电池的成本还是太高，限制了其大规模的商业化应用。在接近上个千年之交，科学家们就开始了设计最新代的太阳能电池，并提出其基本要求，包括材料应该由地壳高丰度元素组成、环境友好、工艺简单易于放大、效率高而能耗低等。于是林林总总的新型太阳能电池应运而生，诸如染料敏化电池、量子点敏化电池、量子点电池、有机太阳能电池等等。这些太阳能电池虽然提供了很好的研究平台，但能量转换效率增长太慢，甚至裹足不前。正是在这个背景下，钙钛矿太阳能电池横空出世，举世瞩目。原来，科学家们在研究染料敏化电池的过程中，发现一类有机-无机杂化钙钛矿材料（如卤代甲胺铅CH3NH3PbX3，X=Cl、Br、I）具有非常优异的光电性能。2009年时日本科学家首次将有机无机杂化的钙钛矿材料应用到量子点敏化太阳能电池中，制备出了第一块钙钛矿太阳能电池，实现了3.8%的光电转化效率。用这类材料作为光吸收层所制备的太阳能电池，从2009年诞生到2014年的短短五年间，能量转换效率从3.8%跃升至19.3%，提高了5倍多。成功的最主要原因是用准固态的空穴传输材料层取代染料敏化电池中常用的液体电解质，从而提高了电池的稳定性，更提高了光电转换效率。随即钙钛矿太阳能电池便成了全球研究的热点。现在能量转换效率已提升至22.1%，成为第三代太阳能电池领域陡然升起的一颗“新星”。
