浅析钙钛矿光伏电池的发展与展望

浅析钙钛矿光伏电池的发展与展望

王欢

无锡市产品质量监督检验院， 江苏无锡 214101

摘要：在社会经济与科技飞速进步的背景之下，研究人员不断加强对于光伏技术的研究，希望能够实现绿色发电和对电力补充的需求。光伏技术主要是指通过一种特殊的原材料能够实现光能到电能之间的转化，常见光伏材料多为硅板，其转化效率较为有限。钙钛矿结构是指由Ca、Ti和O组成的ABX₃结构的一种化合物，其晶格结构的特殊性赋予了该材料一些特殊性质。因此，系统性地介绍了钙钛矿结构特点和在光伏中的应用，并详细讨论钙钛矿光伏电池的优势前景。

关键词：钙钛矿；光伏电池；发展；展望

引言：

随着技术人员对各类矿物结构研究的不断深入，能够更较精准地掌握其理化性质，并将其运用在了对以能源开发和合理的领域当中。电力资源是推动社会发展的重要基础，多样化的发电模式更有利于推动科技进步和改善生活。在光伏技术的研究不断深入过程中，光伏材料本身的能及结构特点等是限制光段效率不断优化提升的重要原因，必须要通过对材料结构的改善和特性调节等才能够实现更高效的电力资源生产。钙钛矿材料结构中能级差正好能够与单个光伏电池组相互匹配，载流子也不容易出现复合，是较理想的光电材料之一。

1. 钙钛矿的结构概述

钙钛矿是由钙、钛和氧三种元素构成的一种化合物，研究人员们也会将与钙钛矿具有同一种化学式结构的化合物成为钙钛矿结构。根据下图可知，钙位于晶格中心，钛位于立方晶格的八个顶点，氧位于立方晶格的六个表面中心，根据这一晶格结构也能够写出钙钛矿化合物的化学形式为CaTiO₃，钙钛矿结构也被写为ABX₃。

图1：钙钛矿晶格结构

由于钙钛矿和类似结构的特殊性，研究人员发现在该类结构下化合物的导电效果和巨磁电阻等理化特性表现更加突出，也是将钙钛矿化合物原材料作为光伏电池的重要原因之一。钙钛矿结构在受到偏置电压或外界光照的刺激之下，原有的电子就会发生迁移，实现向外界释放电流的效果。

2. 钙钛矿光伏技术概述

在钙钛矿形成固态化的光伏电池的测试中发现，经过500小时的使用后该光伏电池依然能够保持10%的光电转换效率。在韩国开展二代钙钛矿光伏电池的研究中，已经能够实现光电转化效率20.1%PCE，结合光伏电站的实际建设成本和各个组件的价格来看，合理控制光伏材料有望实现成本节流的60%~80%，也是研究者不断推动钙钛矿光伏电池不断发展的重要原因之一^[1]。在钙钛矿光伏电池中，将吸收层的材料替换为钙钛矿能够实现更高效率的光子吸收，原材料的禁带宽度为实现薄膜面板的制备提供了可能，甚至还可以吸收一部分近红外光线的光子，且向外释放的电子之间不容易发生复合现象，整体电流损失更低。

3. 钙钛矿光伏电池的优势

1. 转化效率更高

在对钙钛矿晶体结构的分析过程中发现，该化合物在吸收光子并向外释放电子的过程当中出现的能量损失更低，实际的光电转换效率较为突出。将钙钛矿光伏电池与传统的硅电池进行对比试验，以同一频率的标准光子对光伏材料进行激发，钙钛矿材料的光子吸收率可达到70%，而传统硅材料的能量损失则有明显的不足^[2]。将钙钛矿材料制作为薄膜式固态光伏电池可以提升表面积，更好地实现光电转化。

图2：铅基钙钛矿光伏电池

从制备钙钛矿光伏电池至今已有八年时间，研究人员还尝试使用不同的阴阳离子取代钙钛矿中的晶格结构，使其形成具有相同形式的化合物材料，当时用甲基铵、铅和卤素阴离子时也能实现较好的可见光吸收和电荷移动扩散，是对光伏电池和原材料进行创新研究的重要方向。

2. 成本更低

钙钛矿光伏电池属于一种具有轨道杂化特点的化合物结构，在对策中结构进行离子替换的过程中发现，由钙、钛、氧三种元素组成的化合物其光电转化效率与功夫电池之间比较匹配，化合物能级之间的距离和电池理想能隙几乎一致，说明了钙钛矿化合物用于光伏电池的生产制备极具优势。由于钙钛矿光伏电池在批量生产的过程当中原料的成本更低，可以通过在钙钛矿溶液当中形成矿生长与析出的方式进行制备^[3]。将钙钛矿光伏电池的制备流程与常见的硅原料生产相对比，这种通过人造合成的方式进行原材料生产的特点，能够更好地实现钙钛矿光伏电池的批量化制备，且实际生产成本更低，也会去广泛应用打下了良好基础。常见的钙钛矿光伏电池大多是以铅材料作为基底的，完全可以实现人工合成，改善了原有生产线路中完全依靠自然提取获得硅材料的模式。

3. 发展前景广泛

为了更好地缓解化石燃料的不足现状，积极开发其他形式的电力生产方式十分重要，运用新技术实现能源补充。目前有许多光伏企业通过在农村地区租赁光伏场地、全网上传电力资源的方式实现了光伏收益和经营的扩大化，有效将光伏发电转化为商业运营模式^[4]。针对这一现状，能够有效判断出光伏产业的发展未来十分广阔，且对于人们的用电模式和工作生活会产生较大影响。在此背景之下，积极研究钙钛矿光伏电池经营与发展虽然还处在孵化阶段，但国家的全力支持和国际上的发展趋势都说明了钙钛矿光伏电池的发展极具优势。在与其他光伏电池材料进行对比的过程中发现，钙钛矿的结构特点具有绝对的优势，无论从转换效率和生产可行性分析，钙钛矿光伏电池都是我国光伏产业发展的重要组成部分。

4. 结束语

总之，对光伏材料的研究和对光电转化的调节与提升一直是光伏技术的重点内容，而钙钛矿的特殊理化性质为进一步扩大光伏生产规模提供了更多的可能性。在对钙钛矿的晶格结构分析中发现，运用其他的阳离子和阴离子构成类似结构形式的化合物也能具有一定的光伏效应，尤其是在可见光区域进行光子吸收和电子跃迁中有较好的表现。这种高转化率的现象也为光伏电池的生产制造指出了一定的发展方向，且类似化合物的生产成本更低，能够通过溶液加工的方式形成。

参考文献：

1. 罗晔.韩国成功开发第二代钙钛矿型光伏电池[J].农村电工，2018(12):053.

2. 李沛儒.钙钛矿光伏电池的发展与展望[J].电力系统装备，2018(04):151-153.

3. 张堃，刘晓飞等.钙钛矿光伏电池材料优化设计研究[J].有色金属工程，2020(08):10-14.

4. 刘埃森.我国钙钛矿光伏电池产业的未来[J].科技与金融，2019(07):18-20.