一直以来，太阳能电池的材料都以最常使用的半导体材料——矽晶为主，然而自 2009 年开始，一种特殊的有机金属卤化物材料「钙钛矿」引起了科学家的注意。「钙钛矿」原本是指钙与钛的氧化物 CaTiO3（结构可表示为 ABX3），因为有机金属卤化物的结构与钙钛矿 ABX3 同类型，所以统称为钙钛矿（见图 1）。太阳能电池用的钙钛矿，吸收光的效率很高，吸收光子后，可以很快地分离成电子与电洞，传送到电极而产生电流。这样的高效率让科学家想到，何不用钙钛矿来制作太阳能电池呢？
图 1、钙钛矿晶体结构示意图。用做太阳能电池的钙钛矿通常为有机金属卤化物。（林唯芳、王彦锜）
中国台湾大学材料科学与工程学系教授林唯芳的研究领域一直以高分子材料为主，也研究过以有机材料来制作太阳能电池。钙钛矿的出现，很快就吸引了林唯芳的眼球。「钙钛矿这种材料简直不得了。」谈起钙钛矿，林唯芳透露著兴奋的心情，因为和传统的矽晶相比，以钙钛矿制作太阳能电池的制程简单太多了！
制作太阳能电池，竟和刷油漆一样简单
首先，以矽晶做为材料时，为了减低晶格里的缺陷数量，必须经过约 900℃ 的高温长时间处理，然后再以半导体高真空高温制程制作成二极体太阳能电池，工序繁琐严苛。但钙钛矿太阳能电池是以溶液涂布薄膜的形式来制作，所以不需这么高温，也不需要真空环境，只要在一般环境里就可以制作。
钙钛矿太阳能电池的结构如图 2，在制造时，每一层都只需要简单的涂布，再以红外线快速烘干长晶[注1]即可，烘干需要的时间甚至不到一分钟。林唯芳形容：「整个过程就像刷油漆一样简单。」而因为钙钛矿太阳能电池的制作就像刷油漆一样，因此比起矽晶，钙钛矿更容易做出大面积的太阳能电池，甚至是涂布在各种基材上，做出可挠曲、各种色彩的太阳能电池，应用更加广泛。
图2、钙钛矿太阳能电池结构示意图。（林唯芳、王彦锜）
不过林唯芳也说，目前钙钛矿和矽晶相比，使用寿命短了许多，矽晶太阳能电池一般认为具有 30 年左右的寿命，但钙钛矿的结构大约只能维持 10 年。这是因为钙钛矿的晶体结构中，ABX3 各成分之间只是单纯的彼此堆叠及配位键[注2] ，并非以共价键结合，键结不够强的情况下，容易受到破坏。林唯芳的团队也尝试着用加入不同离子的方式，增加钙钛矿的稳定度，延长使用寿命。
钙钛矿与矽晶的合作无间
林唯芳强调：「我们对太阳能电池的期许，除了大面积、长寿命外，更重要的是高转换效率。」这几年来，在林唯芳团队及全世界科学家的努力下，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经追上矽晶太阳能电池，约在 20-25% 左右。不过，钙钛矿和矽晶并不是对立的角色，包括林唯芳在内的许多科学家，都正在尝试让这两种材料「合作」——他们将钙钛矿与矽晶叠起来，达到更高的光电转换效率！
钙钛矿与矽晶的比较表。（何庭劭绘）
这是因为钙钛矿能吸收转换的光波段和矽晶不同，钙钛矿主要吸收较高能量的短波波段，矽晶则以较低能量的长波波段为主，所以若让太阳光先后穿透钙钛矿太阳能电池与矽晶太阳能电池，就能更有效率的利用太阳光里各种不同波段的光。
在叠层的做法上，有些研究团队是在制作太阳能电池时，改变制程，设法将矽晶与钙钛矿叠层。不过林唯芳和联合再生能源公司合作，将两种太阳能电池独立制作，只是将钙钛矿太阳能电池的电极转换成可透光的材料，然后直接机械式的叠起。林唯芳解释：「这样做的好处在于可以维持现有的矽晶太阳能电池的制程，再加上简单的钙钛矿太阳能电池制程，在现阶段的技术上是最有商机的。而且现在钙钛矿太阳能电池还是比较容易损坏，如果它先损坏了，我们可以只要替换新的钙钛矿太阳能电池上去就好。」
图 3、钙钛矿太阳能电池与矽晶太阳能电池叠层，可以增加光电转换效率。（林唯芳、吴庭慈）
谈起这几年钙钛矿的兴起，林唯芳认为这是非常有希望的一种材料！在这几年的积极努力下，林唯芳不但在钙钛矿太阳能电池的研究上有进展，还为技术的产业化努力，鼓励毕业同学廖学中与许哲溥，创立前创科技公司，专精于钙钛矿太阳能电池材料的制造和生产，并和台大机械系的黄秉钧教授、亿尚精密机械公司合作，共同研发了专门涂布制作钙钛矿太阳能电池的机器（如图 4）。另外也和生产矽晶太阳能电池的联合再生公司合作，发展大面积高效率层叠太阳能电池，形成了上中下游完全自主整合的一条鞭生产链。
林唯芳说：「这对我们中国台湾的产业界也带来了贡献，虽然我是做学术研究的，但能帮助到中国台湾的产业，我也觉得很开心。」而钙钛矿这个「大自然的礼物」，将为太阳能以及人类生活带来的改变，也值得我们期待。
图 4、钙钛矿太阳能电池薄膜制造机。（黄秉钧）
钙钛矿型太阳能电池（perovskite solar cells），是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，即是将染料敏化太阳能电池中的染料作了相应的替换。在这种钙钛矿结构（，图1）中，A一般为甲胺基，和也有报道；B多为金属Pb原子，金属Sn也有少量报道；X为Cl、Br、I等卤素单原子或混合原子。目前在高效钙钛矿型太阳能电池中，最常见的钙钛矿材料是碘化铅甲胺（），它的带隙约为1.5 eV。钙钛矿太阳能电池的结构如图示，钙钛矿太阳能电池由上到下分别为玻璃、FTO、电子传输层（ETM）、钙钛矿光敏层、空穴传输层（HTM）和金属电极。其中，电子传输层一般为致密的纳米颗粒，以阻止钙钛矿层的载流子与FTO中的载流子复合。通过调控的形貌、元素掺杂或使用其它的n型半导体材料如ZnO等手段来改善该层的导电能力，以提高电池的性能。目前报道的最高效率（~19.3%）的电池使用的即是钇掺杂的。钙钛矿光敏层，多数情况下就是一层有机金属卤化物半导体薄膜。也有人使用的是有机金属卤化物填充的介孔结构（、和骨架），或者两者都存在，但没有证据表明这种结构有助于电池性能的提高。空穴传输层，在染料敏化太阳能电池中，该层多为液态电解质。由于在液态电解质中不稳定，使得电池稳定性差，这也是早期的钙钛矿电池的主要问题。后来，Grätzel 等采用了如spiro-OMeTAD, PEDOT:PSS等固态空穴传输材料，电池效率得到了极大提高，并具有良好的稳定性。特别地，钙钛矿还可以同时作为吸光和电子传输材料或者同时作为吸光和空穴传输材料。这样，就可以制造不含HTM或ETM的钙钛矿太阳能电池。
欢迎分享，转载请注明来源：夏雨云
微信扫一扫
支付宝扫一扫
评论列表（0条）