为什么钙钛矿可以将太阳能电池带到新的高度

钙钛矿有望制造出可以轻松沉积在大多数表面上的太阳能电池板，包括柔性和有纹理的表面。这些材料重量轻，生产成本低，并且与当今主要的光伏材料(主要是硅)一样高效。它们是越来越多的研究和投资的主题，但希望利用其潜力的公司确实必须解决一些剩余的障碍，才能使基于钙钛矿的太阳能电池具有商业竞争力。

钙钛矿一词不是指特定材料，如硅或碲化镉，光伏领域的其他主要竞争者，而是指整个化合物家族。太阳能材料钙钛矿家族因其与一种名为钙钛矿的矿物的结构相似而得名，这种矿物于1839年被发现，并以俄罗斯矿物学家LAPerovski的名字命名。

钙钛矿的原始矿物钙钛矿(CaTiO3)具有独特的晶体结构。它具有三部分结构，其组件已被标记为A、B和X，其中不同组件的格子交错排列。钙钛矿家族由许多可能的元素或分子组合组成，这些元素或分子可以占据这三种成分中的每一种，并形成类似于原始钙钛矿本身的结构。(一些研究人员甚至通过将具有类似元素的其他晶体结构命名为“钙钛矿”来稍微改变规则，尽管晶体学家对此并不满意。)

“你可以在结构中混合和匹配原子和分子，但有一些限制。例如，如果你试图将一个太大的分子塞入结构中，你会扭曲它。最终你可能会导致3D晶体分离成2D分层结构，或者完全失去有序结构，”麻省理工学院机械工程教授兼光伏研究实验室主任TonioBuonassisi说。“钙钛矿是高度可调的，就像一种自己建造的冒险类型的晶体结构，”他说。

这种交错晶格结构由离子或带电分子组成，其中两个(A和B)带正电，另一个(X)带负电。A和B离子通常具有完全不同的大小，其中A更大。

在钙钛矿的整个类别中，有许多类型，包括金属氧化物钙钛矿，它们已在催化以及能量存储和转换中得到应用，例如燃料电池和金属空气电池。但根据Buonassisi的说法，十多年来研究活动的主要焦点一直是卤化铅钙钛矿。

在该类别中，仍然存在大量可能性，世界各地的实验室都在进行繁琐的工作，试图找到在效率、成本和耐用性方面表现出最佳性能的变体——迄今为止，这一直是最具挑战性的三者中的。

许多团队还专注于消除铅使用的变化，以避免其对环境的影响。然而，Buonassisi指出，“随着时间的推移，铅基器件的性能不断提高，而其他成分在电子性能方面都没有接近。”探索替代品的工作仍在继续，但目前没有人可以与卤化铅版本竞争。

他说，钙钛矿提供的一大优势是它们对结构缺陷的极大容忍度。与需要极高纯度才能在电子设备中正常工作的硅不同，钙钛矿即使存在许多缺陷和杂质也能正常工作。

为钙钛矿寻找有前途的新候选成分有点像大海捞针，但最近研究人员提出了一种机器学习系统，可以大大简化这一过程。该研究的合著者Buonassisi说，这种新方法可以更快地开发新的替代品。

虽然钙钛矿继续显示出巨大的前景，并且几家公司已经准备好开始一些商业生产，但耐用性仍然是他们面临的最大障碍。虽然硅太阳能电池板在25年后仍能保留高达90%的功率输出，但钙钛矿的降解速度要快得多。已经取得了很大的进步——最初的样品只持续了几个小时，然后是几周或几个月，但新配方的使用寿命长达几年，适用于一些对寿命不重要的应用。

Buonassisi说，从研究的角度来看，钙钛矿的一个优点是它们在实验室中相对容易制造——化学成分很容易组装。但这也是它们的缺点：“这种材料在室温下很容易结合在一起，”他说，“但在室温下也很容易分开。容易来，容易去!”

为了解决这个问题，大多数研究人员都专注于使用各种保护材料来封装钙钛矿，保护其免受空气和湿气的影响。但其他人正在研究导致这种退化的确切机制，希望找到更本质上更强大的配方或治疗方法。一个关键的发现是，一个称为自催化的过程在很大程度上要归咎于故障。

在自催化中，一旦材料的一部分开始降解，其反应产物就会作为催化剂开始降解结构的相邻部分，然后就会发生失控反应。在其他一些电子材料的早期研究中也存在类似的问题，例如有机发光二极管(OLEDs)，最终通过在原材料中增加额外的纯化步骤来解决，因此可能会找到类似的解决方案。Buonassisi建议，钙钛矿。

Buonassisi和他的合作研究人员最近完成了一项研究，该研究表明，一旦钙钛矿达到至少十年的可用寿命，这要归功于它们低得多的初始成本，这足以使它们在经济上可行，以替代大型、公用事业中的硅。规模太阳能农场。

他说，总体而言，钙钛矿的开发进展令人印象深刻且令人鼓舞。他说，经过短短几年的工作，它已经达到了与碲化镉(CdTe)相当的效率，“它已经存在了很长时间，但仍在努力实现，”他说。“在这种新材料中达到这些更高性能的容易程度几乎令人震惊。”他说，比较为实现效率提高1%所花费的研究时间，钙钛矿的进展比CdTe快100到1000倍。“这就是它如此令人兴奋的原因之一，”他说。

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