钙钛矿或是下一代主流太阳能技术
发布日期：2018/1/10
太阳能发电已逐渐改变世界各国的电力市场占比，而研究人员认为，未来太阳能将变得更高效、更便宜，关键材料就在于一种被称为钙钛矿的晶体全面开发。
太阳能电池领域长江后浪推前浪，而钙钛矿电池目前被认为是继传统硅电池之后最有前途的接班人，自2009年首次报导曝光至今，短短数年就已被证明具有高达22%的转换效率，几乎与传统硅电池旗鼓相当，而这位新人还有可观的成长空间，但硅电池的效率已长时间停滞在25%左右。
迄今为止，钙钛矿的表现超越其他所有新型太阳能材料，比如染料敏化太阳能电池（DSSC）、有机太阳能电池等，其快速发展让许多科学家对其持乐观态度。
染料敏化太阳能电池是一种廉价的薄膜太阳能电池，基于由光敏电极和电解质构成的半导体，是一个电气化学系统。它吸引人的优点是可用低廉材料制成，制程比以前的电晶体电池还要便宜，它可以被制成软片，不需要特别保护，虽然能量转换效率比最好的薄膜电池要低，但理论上它们的性价比已足够高。
钙钛矿（Perovskite）则是一种氧化物矿物，一般化学式为ABX3，最早被发现存在于钙钛矿石中的钛酸钙（CaTiO3）化合物而得名，具有立方晶体结构：A和B是两个大小不同的阳离子，X则是与两者结合的阴离子（通常是氧）。
▲钙钛矿晶体结构图。A原子（绿球）是较大的金属阳离子，比如Ca2+，位于立方体中心；B原子（蓝球）是较小的金属阳离子，比如Ti4+，分布在立方体的8个角落；X原子（红球）通常则是氧。（Source：By Cadmiumat English Wikipedia(Transferred from en.wikipedia to Commons.)[Publicdomain],via Wikimedia Commons）
随着研究进展，科学家可以透过以其他元素代替钙、钛、氧来改善这种材料的物理化学性质，来产生在光伏方面的具体应用，目前研究最多的钙钛矿化合物为（CH3NH3）PbI3，在这种材料中，钙离子，钛离子和氧离子分别被甲基铵、铅、碘离子取代。
但在钙钛矿材料可以商用之前，它还有些重大障碍需要突破：第一，钙钛矿晶体在潮湿条件下容易分解，若没有适当隔绝水份的密封技术，电池就会在短时间内告终，这导致稳定性低；第二，科学家目前只在非常小的钙钛矿电池中实现高效率（大概只有一片指甲大小），放大版的钙钛矿电池还没有出现相同效果。
钙钛矿电池现在还很难打败硅晶电池，因为后者已发展出规模经济。《FinancialTimes》报导，美国斯坦福大学材料科学与工程教授MichaelMcGehee最近提出了一项新的解决方案：“串联”太阳能电池，借由在传统硅晶上层覆盖钙钛矿，两者互相合作，不要只闻新人笑，旧人仍有用武之地。
由于半透明的钙钛矿电池可以捕获可见光谱中的波长，其他波长则穿过钙钛矿电池，交由下面的矽电池捕获，McGehee的研究表明，串联电池的效率可比单打独斗的硅电池高出10％，这可能是钙钛矿材料打入以硅为主导市场的另一种方式。
只要能克服稳定性和尺寸，钙钛矿太阳能电池就有可能改变太阳能源的经济性，毕竟它们比硅电池还要便宜许多，钙钛矿晶体可在相对较低的温度下生产，不像硅需要大量热量制造芯片。
来源:科技新报
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