未来的新能源材料之星——钙钛矿
以下文章来源于材料工程 ，作者刘丹阳
随着全球气候变暖的加剧，极端天气对人类和野生动物的生存活动造成了严重威胁，导致气候变暖的温室气体CO2、SO2主要来自化石燃料的燃烧，随之带来的雾霾天气也让我们无处遁逃。因此，亟待开发可以替代化石燃料的清洁能源，如风能、地热能、太阳能、潮汐能等。其中，太阳能是众多清洁能源中最为理想的可再生能源，它取之不尽、用之不竭，是宇宙对我们最好的馈赠。如果把太阳光照射地球一小时的能量“全部”收集起来，够全人类使用一年。倘若将地球荒漠面积的1%装上光伏电站，就可以满足人类目前用电量的需求。
在我国，已经开始大力推广光伏产业。大面积的农田村庄都已经安装了太阳能电池板，举办冬奥会的张家口，也已经荒山变“银”山，助力绿色冬奥。据国家发改委预测，到2050年光伏会成为中国第一大能源。因此，合理开发利用太阳能，对国家发展和人类生存具有重要的意义。
01
能量转换的开关
钙钛矿在太阳能电池中发挥什么作用呢？我们先来了解一下太阳能电池是如何工作的。典型的太阳能电池结构主要由五部分叠合而成，包括一个吸光层、两个传输层，两个电极，其中吸光层至关重要，它是光能与电能的纽带，是能量转换的开关。钙钛矿就是在这一层中大显身手的。当太阳能电池工作时，吸光层受到光照，它内部的电子获得能量，这些电子就如同吃饱饭的孩子精力充沛变得非常淘气，要来一场说走就走的旅行，它们挣脱吸光层的束缚，再通过传输层的助力向外部传递。与此同时，当带负电的电子离开后，留下了带正电的空穴，朝着电子的反方向传递，就这样电子和空穴流动起来，构成外部电流，实现了光能向电能的转换。
钙钛矿太阳能电池的结构
02
太阳能电池的前世今生
吸光层材料的发展与迭代引领着太阳能电池技术的不断革新和突破。第一代太阳能电池是硅的时代，它的发明为人们开启了利用光能发电的大门，是目前使用最广泛的太阳能电池，但硅并不是理想的吸光层材料，它是一种间接带隙半导体，不能以最小的光能激发吸光层材料产生电流，这极大限制了它的光电转换效率。第二代薄膜太阳能电池采用了更为理想的直接带隙半导体作为吸光材料替代硅，如砷化镓、碲化镉、铜铟镓锡等，但这两代太阳能电池由于对材料的纯度要求较高，其制备成本高昂。直到钙钛矿太阳能电池的出现，才打破了前两者的局限，兼具高效率和低成本制备的优势，成为最具潜力的新一代太阳能电池，至此，钙钛矿时代到来了！它非常年轻又极具活力，自2009年发明至今，仅用了十余年的时间，效率就从3%提升至25.5%，可与发明了近70年的硅太阳能电池相匹敌，所以说它是“乘着火箭”发展起来的也不为过。
03
神奇的钙钛矿材料
这种神奇材料到底是什么？又长什么样呢？1839年，德国科学家在考察乌拉尔山脉时发现了一种元素组成为CaTiO3的矿石，并将其命名为“perovskite”以纪念同名的俄国地质学家。发现该矿石的地质学家一定不会想到，二百余年后的今天，这种深埋地下的棕色矿石衍生出的材料竟然会聚焦在阳光下，成为新能源材料领域炙手可热的新星。这就是钙钛矿材料的原型，它具有对称的立方八面体晶格结构，后来科学家们将拥有这种晶格结构的一类物质统称为钙钛矿。这类材料通常具有ABX3的化学式，其中A,B,X都对应着不同的离子，通常，A代表有机胺阳离子，B代表金属阳离子，如Pb离子、Sn离子，X代表卤素阴离子。因此，钙钛矿指的不是特定材料，而是一种结构、一类物质。这类材料应用的光电领域具有极大的优势，其种类繁多，对光的吸收能力强，吸收范围广，几乎可以吸收全部可见光，并且能在温和条件下实现低成本的制备，对产业化应用极具意义。
CaTiO3矿石及钙钛矿材料的晶体结构
钙钛矿太阳能电池的制备成本仅仅是单晶硅太阳能电池的十分之一，却能达到与之相似的效率，它是如何实现低成本制备的呢？与传统吸光层复杂的纯化和刻蚀工艺不同，它可以通过简单的溶液法合成，目前实验室使用最为广泛的方法是“旋涂法”，即在基底材料表面滴加溶液，高速旋转后均匀铺开结晶成膜，可用于微型器件的制备。大面积制备可以通过柔性印刷工艺实现，这与平时的纸质印刷的原理相似，就如同油墨铺在纸张上一样，高效且成本低廉。在太阳能电池中，钙钛矿层仅需0.5微米就可以实现光电转换的功能，而硅则需要200微米。因此，钙钛矿太阳能电池原料成本低、工艺简单，并且可以在柔性基地表面制备，克服了传统电池制备对环境要求严苛、制备工艺高能耗、高成本、易造成环境污染的缺点。
钙钛矿材料的柔性印刷工艺
04
钙钛矿太阳能电池的优势与瓶颈
钙钛矿太阳能电池的综合优势主要体现在三个方面：一是效率，短期内已达到传统电池的水平；二是性能，它质量轻，可柔性制备，其晶体结构在受到弯折后还能恢复原状，这大大拓宽了它的应用领域；三是制备工艺简单，成本低廉。然而，集众多优势于一身的钙钛矿材料在实现工程应用路上，仍存在着亟待解决的瓶颈问题，吸引着科学家们不断探索钻研。瓶颈问题有三个方面，一是有些钙钛矿含Pb这种有毒物质，因此开发无毒化钙钛矿材料一直是该领域重要的研究方向，目前已经有研究成果表明可以用Sn元素来替代Pb，也能实现高的光电转换效率。二是钙钛矿材料对于氧气和水不稳定，这个问题一方面可以通过改善封装技术来解决；另一方面，目前很多课题组都将研究重点从刷高效率转移到提高环境稳定性上来，相信在不久的将来，稳定性问题也一定会被突破。三是还需进一步开发大面积印刷工艺，实现批量制备，从而推动其产业化应用。
05
上天入地的钙钛矿太阳能电池
钙钛矿太阳能电池能应用在哪些领域呢？它凭借着自身微型化、柔性化、轻质化的特点，可以应用在我们生活的方方面面，小到为柔性可穿戴电子产品供电；再到汽车天窗，安装在车顶为汽车提供混合动力；大面积太阳能电池板甚至能贴附于大楼表面，为整栋大楼供电。
除了我们的日常生活，在空天科技领域钙钛矿太阳能电池也能大显神通。我们都知道轻质对于飞行器来说有多么重要，它凭借着自身轻质柔性的优势，能贴附于无人机的机翼，适应不同弯曲弧度的机翼表面，为无人机巡航提供能源动力；它还能应用在月球车和卫星的帆板，源源不断地提供动力来维持宇宙飞行器的日常运行；甚至还能应用在空间站，成为最坚实可靠的能源保障。钙钛矿太阳能电池可柔性折叠，具有轻质和高能质比的优势，同时表现出优异的抗辐射性能来抵抗宇宙来自四面八方的射线辐射；而且在宇宙环境中，没有水和氧，钙钛矿材料的不稳定性也不再是问题。因此，钙钛矿太阳能电池成为最具应用潜力的空间光伏技术之一。第二十二届北京青年学术演讲比赛复赛选手，中国航发北京航空材料研究院的刘丹阳（北京航空材料研究院推荐）认为，在不久的将来，钙钛矿太阳能电池一定会承载着使命和责任，带领我们飞向宇宙世界的星辰大海。
点击下方视频观看选手精彩演讲
