出品：科學大院
作者：林風（南方科技大學）
監製：中國科學院電腦網路資訊中心 中國科普博覽
近期， 中國科學院合肥物質科學研究院應用技術研究所孔凡太研究團隊在小分子有機空穴傳輸材料方面取得系列進展， 相關研究結果分別發表在ChemSusChem、ElsevierDyes and Pigments， 以及英國皇家化學會的RSC Advances上。
你可能想問， 這項讀起來很拗口的研究， 究竟有什麼用呢？
這種材料目前已經被證明在鈣鈦礦太陽能電池中有非常好的應用潛力。
等等！怎麼又來一個拗口的， 鈣鈦礦太陽能電池又是什麼？
第三代太陽能電池
我們都知道， 太陽能電池是一種可以直接把光能轉化成電能的裝置。
實際上， 太陽能電池的發展過程經歷了三個階段：
圖1 各類太陽能電池。
（a）單晶矽太陽能電池；（b）薄膜太陽能電池；（c）鈣鈦礦太陽能電池。
第一代太陽能電池主要是基於單晶矽。
荒原上， 沙漠中， 大家印象中的太陽能電池板， 通常都是用這類晶體矽材料製成的。 不過製造高純矽面臨著造價高、耗能高等難題， 這嚴重制約了矽基太陽能電池的商業應用範圍。
第二代太陽能電池主要指薄膜太陽能電池。
它以非晶矽、銅銦鎵硒薄膜、碲化鎘薄膜為代表。 這類太陽能電池最大的優點為成本低， 缺點則是效率低， 性能隨使用時間的增長而衰退。
第三代太陽能電池， 也稱作新概念太陽能電池， 就是今天要重點介紹的鈣鈦礦太陽能電池。
其實， 我不含鈣， 也不含鈦
人們在開發新材料時有兩大重要考量：一個是成本， 一個是效率。
圖2 不同類型的太陽能電池的成本與其光電轉換效率的關係
從上面這張圖中可以看出， 如果電池的光電轉換效率能提高到20%以上， 電池的供電成本就有大幅度下降的可能。
因此， 進一步提高轉換效率成為第三代太陽能電池發展的關鍵。
近幾年， 鈣鈦礦太陽能電池的研究不斷刷新了光電轉化效率的紀錄，
雖然現在每年光伏產業產能的90%以上都來自晶矽電池， 但是由於鈣鈦礦太陽能電池的優良特性眾多， 越來越多的人對它青睞有加， 源源不斷的人力、物力都投入到了相關研究當中， 鈣鈦礦太陽能電池巨大的魅力也逐漸展現在了人們面前。
有趣的是， 鈣鈦礦太陽能電池中並沒有鈣元素， 也沒有鈦元素。
其實， 它得名於其中的吸光層材料：一種鈣鈦礦型物質。
鈣鈦礦是以俄羅斯礦物學家Perovski的名字命名的， 最初單指鈦酸鈣（CaTiO3）這種礦物， 後來把結構與之類似的晶體統稱為鈣鈦礦物質。
鈣鈦礦太陽能電池中常用的光吸收層物質是甲氨鉛碘（CH3NH3PbI3）， 由於CH3NH3PbI3這種材料中既含有無機的成分， 又含有有機分子基團， 所以人們也將這類太陽能電池稱作雜化鈣鈦礦太陽能電池。
圖3 鈣鈦礦物質的原子結構
(a)鈦酸鈣（GaTiO3）晶體的原子結構；(b)鈣鈦礦太陽能中吸光層物質甲氨鉛碘（CH3NH3PbI3）晶體的原子結構。
光電轉換效率高
想要瞭解鈣鈦礦太陽能電池具有高效性能、備受人們青睞的秘密所在，我們就不得不說說它的光吸收與能量轉化的原理了。
圖4 激子生成示意圖
這一奇妙的過程大致如下：
太陽光入射到電池吸收層後隨即被吸收，光子的能量將原來束縛在原子核周圍的電子激發，使其形成自由電子。
由於物質整體上必須保持電中性，電子被激發後就會同時產生一個額外的帶正電的對應物，物理學上將其叫做空穴。這樣的一個“電子--空穴對”就是科學家們常說的“激子”。
圖5 鈣鈦礦太陽能電池的構造與運行機理示意圖
激子被分離成電子與空穴後，分別流向電池的陰極和陽極。
帶負電的自由電子經過電子傳輸層到玻璃基底，然後經外電路到達金屬電極。帶正電的空穴擴散到空穴傳輸層，最終也到達金屬電極。在此處，空穴與電子複合，電流形成一個回路，完成電能的運輸。
鈣鈦礦太陽能電池把光吸收過程與電流運輸過程分離，一種介質只負責運輸一種電荷，避免了矽基、薄膜太陽能電池中載流子複合率高、載流子壽命短的缺點，所以鈣鈦礦太陽能電池具有高效的光電轉換效率。
將鈣鈦礦作為光吸收材料，不僅可以大大減小所需的材料厚度，同時還能保持較好的光吸收能力
就光吸收層厚度而言，第一代和第二代太陽能電池分別需要大概300和2微米的厚度；而鈣鈦礦太陽能電池以不到0.4微米的光吸收層，就能獲得超過20%的光電轉換效率。而且它的吸光係數很大，吸光能力比傳統染料高一個數量級，對紫外到近紅外的光子都具有良好的吸收能力。
另外，鈣鈦礦太陽能電池是一個三元組份的材料，在ABX每個位置上共有三種元素可以選擇，所以這種材料有著無限的操控的空間，這種結構也有著無限的可能性。
沒有幾近完美的材料
雖然鈣鈦礦太陽能電池有著許許多多的優點，但它也不是完美的，我們也必須面對它的不足之處，這樣才有利於我們今後的改進工作。
首先，目前人們還沒有解決此類電池的不穩定性問題。
傳統晶矽電池壽命一般可達到25年，而2009年第一塊鈣鈦礦太陽能電池的壽命只有3分鐘，發展到現在，其壽命也僅為1000小時。
隨著鈣鈦礦太陽能電池效率取得了突破性進展，人們越來越認識到電池的長期穩定性是其是否能大規模民用化應用的決定性因素。
其次，有毒。
現在性能最好的鈣鈦礦電池材料都含有鉛，這是一種對人體和環境有極大危害的元素。
在使用過程中鉛可能會滲出，污染水源和土壤。
最後，目前實驗室裡製造的大部分鈣鈦礦太陽能電池的尺寸都很微小，最大的也僅幾平方釐米，很難生產較大的連續膜，導致製備大面積器件受阻。
圖6 歷年來鈣鈦礦太陽能電池光電轉換效率的迅猛增長趨勢。
雖然，鈣鈦礦太陽能電池的研發遇到了諸多困難，但是，近幾年這一領域的快速發展使其開始初步顯示出潛在的商業化前景。
鈣鈦礦結構材料自2009年首次應用於光伏技術以來，短短六七年時間，在廣大科研人員的努力下，它的光電轉化效率就已經從3%提高到22%。
美國有的科學家預測，以新型鈣鈦礦為原料的太陽能電池的轉化效率或可高達50%，為目前市場上太陽能電池轉化效率的2倍，這將大幅降低太陽能電池的使用成本。也難怪世界頂級學術雜誌Science會把鈣鈦礦太陽能電池評為該年度的十大科技進展之一。
究竟鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率能否達到理論預估的50%？鈣鈦礦太陽能電池距離真正的民用還有多遠？能否如同矽晶太陽能電池那樣得到廣泛使用呢？讓我們拭目以待吧。
圖3 鈣鈦礦物質的原子結構
(a)鈦酸鈣（GaTiO3）晶體的原子結構；(b)鈣鈦礦太陽能中吸光層物質甲氨鉛碘（CH3NH3PbI3）晶體的原子結構。
光電轉換效率高
想要瞭解鈣鈦礦太陽能電池具有高效性能、備受人們青睞的秘密所在，我們就不得不說說它的光吸收與能量轉化的原理了。
圖4 激子生成示意圖
這一奇妙的過程大致如下：
太陽光入射到電池吸收層後隨即被吸收，光子的能量將原來束縛在原子核周圍的電子激發，使其形成自由電子。
由於物質整體上必須保持電中性，電子被激發後就會同時產生一個額外的帶正電的對應物，物理學上將其叫做空穴。這樣的一個“電子--空穴對”就是科學家們常說的“激子”。
圖5 鈣鈦礦太陽能電池的構造與運行機理示意圖
激子被分離成電子與空穴後，分別流向電池的陰極和陽極。
帶負電的自由電子經過電子傳輸層到玻璃基底，然後經外電路到達金屬電極。帶正電的空穴擴散到空穴傳輸層，最終也到達金屬電極。在此處，空穴與電子複合，電流形成一個回路，完成電能的運輸。
鈣鈦礦太陽能電池把光吸收過程與電流運輸過程分離，一種介質只負責運輸一種電荷，避免了矽基、薄膜太陽能電池中載流子複合率高、載流子壽命短的缺點，所以鈣鈦礦太陽能電池具有高效的光電轉換效率。
將鈣鈦礦作為光吸收材料，不僅可以大大減小所需的材料厚度，同時還能保持較好的光吸收能力
就光吸收層厚度而言，第一代和第二代太陽能電池分別需要大概300和2微米的厚度；而鈣鈦礦太陽能電池以不到0.4微米的光吸收層，就能獲得超過20%的光電轉換效率。而且它的吸光係數很大，吸光能力比傳統染料高一個數量級，對紫外到近紅外的光子都具有良好的吸收能力。
另外，鈣鈦礦太陽能電池是一個三元組份的材料，在ABX每個位置上共有三種元素可以選擇，所以這種材料有著無限的操控的空間，這種結構也有著無限的可能性。
沒有幾近完美的材料
雖然鈣鈦礦太陽能電池有著許許多多的優點，但它也不是完美的，我們也必須面對它的不足之處，這樣才有利於我們今後的改進工作。
首先，目前人們還沒有解決此類電池的不穩定性問題。
傳統晶矽電池壽命一般可達到25年，而2009年第一塊鈣鈦礦太陽能電池的壽命只有3分鐘，發展到現在，其壽命也僅為1000小時。
隨著鈣鈦礦太陽能電池效率取得了突破性進展，人們越來越認識到電池的長期穩定性是其是否能大規模民用化應用的決定性因素。
其次，有毒。
現在性能最好的鈣鈦礦電池材料都含有鉛，這是一種對人體和環境有極大危害的元素。
在使用過程中鉛可能會滲出，污染水源和土壤。
最後，目前實驗室裡製造的大部分鈣鈦礦太陽能電池的尺寸都很微小，最大的也僅幾平方釐米，很難生產較大的連續膜，導致製備大面積器件受阻。
圖6 歷年來鈣鈦礦太陽能電池光電轉換效率的迅猛增長趨勢。
雖然，鈣鈦礦太陽能電池的研發遇到了諸多困難，但是，近幾年這一領域的快速發展使其開始初步顯示出潛在的商業化前景。
鈣鈦礦結構材料自2009年首次應用於光伏技術以來，短短六七年時間，在廣大科研人員的努力下，它的光電轉化效率就已經從3%提高到22%。
美國有的科學家預測，以新型鈣鈦礦為原料的太陽能電池的轉化效率或可高達50%，為目前市場上太陽能電池轉化效率的2倍，這將大幅降低太陽能電池的使用成本。也難怪世界頂級學術雜誌Science會把鈣鈦礦太陽能電池評為該年度的十大科技進展之一。
究竟鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率能否達到理論預估的50%？鈣鈦礦太陽能電池距離真正的民用還有多遠？能否如同矽晶太陽能電池那樣得到廣泛使用呢？讓我們拭目以待吧。