钙钛矿电池“秀”在哪?
钙钛矿太阳能电池被看作第三代太阳能电池 ， 与传统的太阳能电池相比有着突出的优势 。 例如 ， 第一代单晶硅太阳能电池 ， 要求纯度高达99.99% ， 生产过程复杂且能耗高、污染大；第二代薄膜太阳能电池的生产能耗成本虽然有所下降 ， 但仍需要依赖铜、铟等贵金属 ， 而且还伴随有剧毒的副产物产生 。 钙钛矿太阳能电池大多采用溶剂工艺 ， 其原料多为液态 ， 能在常温下制备 ， 而且在未来完全可以通过印刷技术制备大面积的柔性太阳能电池以及用于可穿戴智能设备 。
钙钛矿太阳能电池距离商业化还有多远？
尽管目前钙钛矿太阳能的光电转化效率已经超过了24% ， 而且在材料成本和制造成本方面均具有显著的市场优势 ， 但器件的稳定性问题一直制约着它的商业化生产 ， 甚至在美国国家能源部可再生能源实验室（NREL）的认证表上被打上了“不稳定”的标签 。
在实验室操作过程中 ， 人们发现钙钛矿太阳能电池被制备出来后 ， 若放置于室温环境下 ， 效率会随着时间的增长而衰减 。 其根本原因在于吸收层所用的钙钛矿材料对水、热、氧环境极度敏感 ， 使得其结构不稳定 ， 易产生不可逆转的降解 。 目前钙钛矿太阳能电池的寿命远低于硅基太阳能电池（25年） ， 因此为了实现钙钛矿太阳能电池大规模的商业应用 ， 急需解决其自身的稳定性问题 。
以典型的钙钛矿电池材料--CH3NH3PbI3（甲胺铅碘）为例 ， 它在水氧条件下会转变为固态的PbI2晶体和挥发性的CH3NH2和HI气体 ， 对电池器件产生永久性破坏 ， 具体反应过程如下：
图五：甲胺铅碘的分解反应示意图（图片由作者自制）
为了提高钙钛矿太阳能电池的稳定性 ， 除了通过替换材料组分或进行化学修饰从本质上提高它的耐湿性外 ， 最常用的方法就是利用封装保护及采用疏水性电极来防止水分对器件的侵蚀 。 另外 ， 光照是太阳能电池工作时不可避免的条件 ， 工作条件下连续光照产生的热量会加速钙钛矿的分解和诱发离子迁移 。 离子迁移问题被认为是导致钙钛矿材料和器件性能衰减的主要原因之一 。 由于甲胺铅碘材料中的有机基团和卤素离子在常温下也会通过缺陷和晶界实现长距离的迁移 ， 因此找出一种有效抑制离子迁移的方法已成为解决钙钛矿材料及器件稳定性问题的关键 。
新研究的突破在哪?
此前的研究发现 ， 钙钛矿太阳能电池在光照下的稳定性衰减迅速 ， 并且随光照强度的增加稳定性衰减速度增快 。 近日《自然》报道的钙钛矿太阳能材料在稳定性方面的重大突破就是找到了在强光照和热环境中有效抑制离子迁移的方法 。 研究发现 ， 用离子液体修饰过的钙钛矿太阳能电池在70-75℃的全光谱太阳光照射下 ， 连续运行超过1800小时后 ， 最稳定的封装器件的性能仅下降了5%左右 ， 完全满足室温下稳定高效的光伏器件要求 。 离子液体作为一种液态离子化合物 ， 不仅可以使得钙钛矿在电子传输层更好地生长 ， 而且它还可以与作为电子传输层的TiO2发生很强的电子相互作用 ， 进而促进电子迁移率 。
另一方面 ， 由于含铅材料对环境的不友好性 ， 研究者也正在努力实现无铅化 ， 最直接的方法是利用同族的Sn元素代替Pb元素 ， 但相应会带来电池转换效率的降低 。 目前有学者提出用废弃的铅制作钙钛矿太阳能电池 ， 以此解决废弃铅的处理难题 。 然而要完全实现无铅化仍然是钙钛矿太阳能电池领域一个充满挑战的事情 。
图六：钙钛矿太阳能电池有望实现建筑一体化https://www.freepik.com/premium-photo/vacuum-collectors-solar-water-heating-system-red-roof-house_4284347.htm
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