钙钛矿太阳能电池打破新纪录（实验室）

詹姆斯·温伯利（James Wimberley）

钙钛矿太阳能电池研究前沿的新闻：

武汉华中大学的一个团队与洛桑的先驱MichaelGrätzel合作，制造了没有空穴传输层的电池，并将这些成分的溶液滴到碳网上。这些电池已经运行了1000个小时，这是通常在户外暴露一年的时间，而且不会降解。

同时，英国谢菲尔德大学的研究人员只需将其专利漆溶液喷在表面上就可以制成工作单元-可以是任何东西，无论是平整的还是弯曲的。

两个单元都不有效。它们分别为12.8％和11％，远远落后于钙钛矿太阳能电池记录的19.3％，更不用说21％的生产单晶硅电池了。那为什么大惊小怪呢？这不是在实验室看起来不错但在市场上失败了的另一种方案，只是通过变得更便宜而被硅打败了吗？

来自俄罗斯库萨的钙钛矿矿物（钛酸钙）。摄于哈佛大学自然历史博物馆。信用：La2O3（CC BY-SA 3.0许可证）

要获得观点，我们需要回溯。什么是钙钛矿？首先，它不是材料，而是晶体结构，类似于1839年在西伯利亚发现的原始矿物。取钙，镁或铅等金属的正离子的立方晶格A。将另一个不同金属（如钛）或准金属（如硅）的立方晶格B放入其中，每个B原子（也被正离子化）位于A立方的中心。B离子必须小于A离子-这与质量无关。最后，在A晶格的面中心安装第三个带负电的元素O，氧或卤素（如氯）。如果您仍然和我在一起，那将在同一结构内再增加三个立方晶格。由于每个晶格中都有多种元素可供选择，因此有数十种可能的钙钛矿。

大多数都不存在于自然界中，但确实存在。镁硅钙钛矿矿物占地球地幔的很大一部分：几万亿吨（地幔约为4 x 10 ^ 21吨）。它们绝不是异国情调，而是在许多情况下自然地形成稳定的低能耗配置。因此，如果没有高能量或怪异的过程，就可以熟练地制造它们。使用常见元素的种类足够多，对于诸如碲这样的稀有元素则是不必要的。

钙钛矿家族具有惊人的性能范围，包括超导性和“巨大的磁阻”。对于这种瑞士军刀材料来说，PV钙钛矿研究的祖父是瑞士人：EPFL洛桑（EPFL Lausanne）的MichaelGrätzel是爱因斯坦ETH在苏黎世的法语小弟弟。

他首先研究了对染料敏感的细胞，而这种染料尚未在商业上获得成功，并在不到十年前改用了相关的钙钛矿。

自2009年以来的进步令人震惊，即使对于像太阳能这样充满活力的行业也是如此：五年内效率从4％提高到19％。2014年1月《自然》杂志的Burn＆Meredith图表：

图表已经过时了-记录已经上升到19.3％，由UCLA的Yang Yang宣布。

我们已经看到许多有前途的太阳能技术崩溃和燃烧。为什么这个应该与众不同？

当然不能保证，但是钙钛矿有很多用途。基础材料便宜。没有根本原因无法进一步提高效率。大多数是无机的，因此降解的可能性小于有机物。它本质上是一种薄膜技术。您建立了层，而不是看到晶锭上的薄片。面板天生薄而轻。它们是半透明的，因此您可以将它们放在窗户或硅电池上。

在商业上取得成功之前，有许多挑战要应对，任何挑战都是致命的。但是，对所有这些进行报告都有进步。

毒性。一些好的候选人使用铅，这是一种令人讨厌的污染物。斯奈思（Snaith's）的同事和西北大学（Northwestern University）的一个团队已经使用锡制作了工作单元。效率只有6％，但这是早期。

易于制造。第一单元使用复杂的定制制造方法。去年，牛津大学的Snaith宣布了采用气相沉积技术制造的15％效率的电池，这是半导体行业的一种标准方法。Mei的实验室现在已经进行了进一步的研究，使用滴铸法-将吸管（最便宜的价格为10美元）中的粗粉运到准备好的矩阵中。谢菲尔德小组使用了简单的喷涂方法。

武汉的梅增加了另一个重要的转折。到目前为止，每个人都认为必须将这些“空穴”以及被阳光击落的电子转移走，以防止它们重新结合。但是事实证明，发生这种事情的速度并不重要。切除“空穴传输层”意味着极大地简化了设计和制造。

耐用性。Mei刚接触了1000个小时，而没有明显的降解。这就是唤醒英利的人。硅光伏电池寿命很长。早期的面板在运行40年后运行良好，但产量却略低于开始时。任何竞争者技术至少都必须与保守地保证使用硅板的25年相匹配。

逃避重力。任职者创造了一个经济引力井，常常使天使投资者陷于困境。无论在实验室中看起来多么好，任何竞争方案都必须克服规模经济并了解硅已经实现的知识。每个年产能为500兆瓦的新型硅光伏工厂正在建造中-在车库中是无法击败的。迄今为止，所有已发表的钙钛矿研究都发生在大学或政府研究实验室，或者它们的微小衍生产品中。Grätzel与中国研究人员的合作可能旨在加快商业应用。但是到目前为止，还没有大型太阳能公司的许可公告。要实现钙钛矿的承诺，将需要大量资金。为了分散风险，主要制造商可以成立像Sematech这样的联合体。

我们热切地等待着活跃且快速发展的研究社区中的某人宣布可工作的串联电池，即硅钙钛矿，综合效率为30％。财富和诺贝尔奖招手。EPFL肯定希望与哥哥ETH取得比分-尽管他们在国际上排名第一，但他们还没有获得诺贝尔奖。

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关于作者：詹姆斯是我们的定期评论员之一。他在samefacts.com上写博客，该网站涵盖时事，毒品，健康和艺术政策，有时还包括能源。