鈣鈦礦型太陽能電池優(yōu)缺點及發(fā)展狀況

王佳

摘 要：由于鈣鈦礦材料制備的太陽能電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高和成本低的優(yōu)點，近年來發(fā)展極為迅速，獲得了學術(shù)界的高度關(guān)注。首先總結(jié)了鈣鈦礦材料的發(fā)現(xiàn)及發(fā)展狀況，然后介紹了鈣鈦礦太陽能電池的優(yōu)點和缺點，最后介紹了鈣鈦礦型太陽能電池的近期研究狀況。

關(guān)鍵詞：鈣鈦礦型；太陽能電池；優(yōu)點；缺點；研究狀況

一、 鈣鈦礦型太陽能電池的發(fā)現(xiàn)及發(fā)展狀況

（一）鈣鈦礦型太陽能電池的發(fā)現(xiàn)

鈣鈦礦進入人們視野已近兩個世紀。但是直到2009年，鈣鈦礦太陽能電池才被首次被提出。當時日本桐蔭橫濱大學的Tsutomu Miyasaka將鈣鈦礦作為吸光層加入到染料敏化太陽能電池（DSSCs）設(shè)備中，效率達3.8%。研究人員很快意識到，鈣鈦礦不僅善于捕捉日光，還可以運送電荷。2012年8月以后，人們對該電池的研究取得了一系列的重大突破，國際學術(shù)界對此高度重視。

（二）鈣鈦礦型太陽能電池的發(fā)展狀況

相比于有機（opv）、染料敏化（DSSC）和非晶硅（a-Si）太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池效率的提升速度驚人。據(jù)美國麻省理工學院網(wǎng)站2013年11月11日報道，科學家們在最新研究中發(fā)現(xiàn)，以一種新式鈣鈦礦（CaTi03）為原料的太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率或可高達50%，為目前市場上太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的2倍，能大幅降低太陽能電池的使用成本。而一開始，其電池的光電轉(zhuǎn)換效率只有3.8%，在2014年初，韓國化學技術(shù)研究所（KRICT）將該效率提升到17.9%[1]，2014年5月，加州大學洛杉磯分校（UCLA）的Yang等[2]己經(jīng)將此效率提升到19.3%。

二、鈣鈦礦型太陽能電池的優(yōu)點

第一個是能量轉(zhuǎn)換效率。作為光伏領(lǐng)域的一個新成員-鈣鈦礦型太陽能電池，其能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)提高到15%以上，這是在太陽能電池領(lǐng)域很高的水平。第二個是成本，即便在商業(yè)化的電池中必須用到鉛，這也不是一個重大的問題。為了合理地處理問題，我們換一個角度思考：假設(shè)鈣鈦礦太陽能電池年產(chǎn)能達1000吉瓦，那么需要的鉛也不到10000噸；相比之下，鉛酸蓄電池每年消耗的鉛高達4百萬噸。并且與現(xiàn)在商業(yè)常用的單晶硅相比，其價格更低，更具有經(jīng)濟效益[3]，有利于這種新型電池的開發(fā)與普及。高性能而成本低已經(jīng)成為鈣鈦礦型太陽能電池主要優(yōu)勢。第三個是穩(wěn)定性[4]。有關(guān)電池儲存壽命的研究較少，目前僅有一個研究封裝的電池在45℃下最大功率光輻照時電池的工作情況。

三、鈣鈦礦型太陽能電池的缺點

作為新型電池，也存在著一些不足之處。第一，鈣鈦礦型太陽能電池效率不能達到一定的高度，并且這種太陽能電池產(chǎn)生的電流很低。不能滿足于現(xiàn)代需要的高強度高效率的利用及其他商業(yè)用處，使它的運用方向和使用范圍有一定的局限性而導致不能大范圍的普及使用。第二，目前所制造的大多數(shù)鈣鈦礦電池的色調(diào)都是褐色，很難向那些設(shè)計摩天大廈的建筑師進行推廣。例如，牛津光伏公司正在努力制造基于窗戶的鈣鈦礦光伏（PVs），牛津大學的Giles Eperon報告稱，通過分塊而不是整體加工鈣鈦礦，可制造出中性顏色、半透明的鈣鈦礦電池，其效率可達8%。但是目前還沒有能研制出適宜顏色的該鈦礦太陽能電池，這也是以后研究的重點。第三，鈣鈦礦的儲量并不充足。

四、近期研究狀況

起初，CH3NH3PbX：作為一種新穎的染料被運用在染料敏化太陽能電池中，其器件結(jié)構(gòu)同典型的DSSC相似，染料附著在介觀尺寸的金屬氧化物框架上。Ti0：是最典型的框架材料，同時其還起到傳輸電子的作用[5]。此外，也可以用絕緣的A12O3[6] 或ZrO2[7]作為框架。CH3NH3PbX：納米晶附著在具有介觀尺寸的n型Ti0：上，上方沉積有p型的空穴傳輸材料（HTM ） 。入射光從下方的玻璃射入，能量大于CH3NH3PbX：禁帶寬度的光子被其吸收，從而產(chǎn)生激子。

參考文獻：

[1] Research Cell Efficiency Records [EB/OL].[2014-04-30]http：//www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency chart.jpg

[2] Perovskite Solar Cells Keep On Surging [EB/OL].[2014-05-02]http：//www.sciencemag.org/content/344/6183/458.summary

[3] 石將建，衛(wèi)會云，吳會覺，羅艷紅，李冬梅，孟慶波 高效無空穴傳輸材料鈣鈦礦太陽能電池異質(zhì)結(jié)特性研究 [J] 2014-04-20

[4] Science， 2013，342，317

[5] OREGAN B， GRATZEL M. A low-cost，high-efficiency dolar cell based on dye-sensitized colloidal TiOz films [J] Nature， 1991， 353（6346）：737-740

[6] LEE M M，TEUSCHER J， MIYASAKA T， et al. Efficient hybrid solar cells based on meso-superstnxctured organometal halide perovskites [J]Science， 2012， 338（6107）： 643-647.

[7] BI D， MOON S J，HAGGMAN L， et al. Using a two-step desposition technique to prepare perovskite （MAPbI3） for thin film solar cells based on ZrO2 and Ti02 mesostnxchxres [J] RSC Adv， 2013， 3（41）： 18762-18766.