钙钛矿晶体，或将是下一个太阳能电池革命的颠覆者

钙钛矿是具有通式ABX3结构的一类化合物，其名称源自于同名矿物钙钛矿（CaTiO3）。除了CaTiO3外，还有BiFeO3、CsPbI3等也具有这一结构。

1839年，在乌拉尔山脉，俄罗斯矿物学家、古斯塔夫·罗斯（Gustav Rose）遇到了具有迷人晶体结构的钙和钛氧化物，并以俄罗斯贵族列夫·佩罗夫斯基（Lev Perovski）的名字命名。所以钙钛矿晶体结构在英文里称为Perovskite。

钙钛矿现在是指与原始晶格共享的一系列材料。在日本科学家宫坂勉（Tsutmu Miyasaka）发现某些钙钛矿是有效的光吸收剂之后，对这种矿物的兴趣在2009年开始增加。

由牛津大学领导的一个多机构研究人员的团队，将他们的科学焦点聚焦在了这个将近两个世纪前发现的具有晶体结构的材料上。

他们认为基于金属和卤素的钙钛矿非常有用，具有巨大的潜力，因为其光伏电池的制造成本，可能比自1950年代问世以来一直占有市场的硅基电池将要便宜得多，有足够的潜力也许有一天会显着地挖掘化石燃料在能源领域的份额。

他们的研究成果发表了三篇论文，在物理通讯和物理化学快报期刊上两篇有关钙钛矿稳定性的最新论文，以及今天在《科学》上发表的一篇论文，加深了对这种有前途的半导体的理解，

通过研究，他们发现，一种分子添加剂（一种基于有机化合物哌啶的盐）极大地提高了钙钛矿太阳能电池的寿命。

研究人员表示：“由于钙钛矿型太阳能电池的低成本，它们有可能削弱化石燃料并彻底改变能源市场。” “然而，这种新型材料的一个鲜为人知的方面是它们在恒定照明下的稳定性。”在过去的两年中，研究小组建立了独特的实验设备，以研究太阳能材料的电导随时间的变化。

研究证明了即使在没有电接触的情况下，光致不稳定性也会持续数小时。这些发现有助于澄清在太阳能电池中观察到的类似结果，并成为提高钙钛矿型太阳能电池的稳定性和商业可行性的关键。

太阳能电池效率的定义是，太阳光照射到电池后转换为可用电能的功率百分比。70多年前，贝尔实验室开发了第一个实用的太阳能电池。按照今天的标准，它的效率仅为6％，而且制造成本很高，但它为在太空探索初期诞生的卫星提供了动力。

随着时间的流逝，即使大多数电池变化不大，但制造成本逐渐降低，效率提高，但仍然由两层几乎纯净的硅组成，掺有添加剂，吸收光、利用光中的能量在它们之间的交界处产生电流。

2012年，牛津大学的Henry Snaith做出了突破性的发现，钙钛矿可以用作太阳能电池的主要成分，而不仅仅是用作敏化剂。这引发了研究活动的狂潮，每年就该主题发表数千篇科学论文。经过八年的研究，钙钛矿电池现在可以以25％的效率运行，至少在实验室中与商用硅电池相当。

钙钛矿电池可以由通常可得的工业化学品和金属廉价地制造，并且可以印刷在塑料的柔性膜上并大量生产。相反，硅电池是刚性的，由昂贵的高温工艺由几乎纯硅的薄晶片制成。

另一方面，钙钛矿对缺陷的耐受性很高。它可以溶解在溶剂中，然后在接近室温的条件下印刷。这意味着它们最终可能仅以硅的一小部分成本生产。

钙钛矿的一个问题是它们在温度升高时趋于不稳定的趋势，另一个问题是易受潮。对于需要在户外持续使用两到三十年的产品来说，这是一个挑战。目前的硅技术对此非常有用。但是，硅必须在高于2，000摄氏度的高温下昂贵地在受控条件下形成完美无缺陷的晶体。

为改进这些材料的稳定性，进入市场的途径之一是由硅和钙钛矿组成的串联电池，可以将更多的阳光光谱转化为能量。研究团队对串联电池的实验室测试产生了28％的效率。

串联电池可能使太阳能电池板生产商提供的性能超出仅硅所能达到的任何性能。这样的双重方法可以帮助消除钙钛矿进入市场的障碍。

半透明钙钛矿薄膜也可能有一天在窗户或温室中使用，将入射的部分阳光转化为电能，而其余部分则通过。

在发电方面，成本是最重要的因素。硅和钙钛矿现在显示出大致相同的效率。但是，从长远来看，钙钛矿太阳能电池的制造成本只是硅太阳能电池的一小部分。科学家相信，这个大约200年前发现的钙钛矿，将可能是下一个太阳能电池革命的颠覆者。