鈣鈦礦太陽能電池技術的進展
鈣鈦礦光伏技術在很短的時間內異軍突起，迅速實現了對多晶硅技術的反超。目前鈣鈦礦太陽能電池的效率已經顯著高于多晶硅，而且它的上升勢頭遠未停止
在光伏技術領域，如此迅速的技術飛躍是從來沒有過的。以主流的多晶硅技術為例，1985年，多晶硅太陽能電池的實驗室效率是15%左右，到2004年增長到20.4%，20年時間只增長了5個百分點；2004年到2015年，11年間只增長到20.6%，幾乎沒有任何進步。如圖3所示，鈣鈦礦光伏技術在很短的時間內異軍突起，迅速實現了對多晶硅技術的反超。目前鈣鈦礦太陽能電池的效率已經顯著高于多晶硅，而且它的上升勢頭遠未停止，在短時間內超過25%看來絕非難事。
圖3: 多晶硅太陽能電池技術和鈣鈦礦太陽能電池技術的進步情況對比。
為什么鈣鈦礦光伏技術能有如此迅速的進步呢？這主要是由鈣鈦礦材料本身的優異性能決定的。有機－無機復合型鈣鈦礦材料在光伏應用中的性能優勢如下：
（1） CH3NH3PbI3 類型的鈣鈦礦材料是直接帶隙材料，這意味著鈣鈦礦具有很強的吸光能力。晶體硅是間接帶隙材料，硅片必須達到150微米以上才能實現對入射光的飽和吸收。而鈣鈦礦僅需0.2微米就能實現飽和吸收，與硅的厚度相差近千倍，因此鈣鈦礦太陽能電池對活性材料的消耗遠遠小于晶體硅太陽能電池。
（2） 鈣鈦礦材料具有很高的載流子遷移率。載流子遷移率反映的是光照下在材料中產生的正負電荷的移動速度，較高的遷移率意味著光照產生的電荷可以以更快的速度移動到電極上。
（3）鈣鈦礦材料的載流子遷移率近乎完全平衡，也就是說鈣鈦礦材料中電子和空穴的遷移率基本相同。作為對比，晶體硅的載流子遷移率就是不平衡的，它的電子遷移率遠遠大于空穴遷移率，其結果就是當入射光的光強高到一定程度時，電流的輸出就會飽和，從而限制了硅太陽能電池在高光強下的光電轉化效率。
（4）鈣鈦礦晶體中的載流子復合幾乎完全是輻射型復合。這是鈣鈦礦材料的一個極其重要的優點。當鈣鈦礦中的電子和空穴發生復合時，會釋放出一個新的光子，而這個光子又會被附近的鈣鈦礦晶體重新吸收。因此，鈣鈦礦對入射的光子有極高的利用效率，而且在光照下發熱量很低。晶體硅中的載流子復合則幾乎完全是非輻射復合，也就是說當晶體硅中的電子和空穴發生復合，它們所攜帶的能量就會轉化成熱，不可能被重新利用。正因為如此，鈣鈦礦的光電轉化效率理論上限顯著高于硅材料。目前單晶硅太陽能電池的最高效率為25.6%，這個效率紀錄已經保持了多年，未來也不太可能有大的突破。鈣鈦礦的輻射型復合特性則使其完全有潛力達到和砷化鎵太陽能電池一樣高的效率水平，達到甚至突破29%。
（5）鈣鈦礦材料可溶解。這樣鈣鈦礦材料就可以配制成溶液，像涂料一樣涂布在玻璃基板上。對于高效率太陽能電池來說，鈣鈦礦的溶解性是一個前所未有的優勢，在效率超過20%的電池材料中只有鈣鈦礦是可溶的。幾年前Nanosolar曾經用涂布法生產過CIGS太陽能電池，但CIGS材料并不可溶，他們是將CIGS粉末顆粒分散到液體中，所以這樣的涂布方法并不能促進晶體的生長。而真正可溶的鈣鈦礦材料，通過涂布法成膜并從溶液中析出的過程就是一個自發結晶的過程，這對于高性能太陽能電池的制作是一個巨大的便利。
作者：易娜 來源：《太陽能發電》雜志 責任編輯：wutongyufg
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