钙钛矿太阳能电池:其实我不含钙 也不含钛

来源:中国科普博览发布时间:2017-07-27 09:50:25

近期,中国科学院合肥物质科学研究院应用技术研究所孔凡太研究团队在小分子有机空穴传输材料方面取得系列进展,相关研究结果分别发表在ChemSusChem、ElsevierDyes and Pigments,以及英国皇家化学会的RSC Advances上。

你可能想问,这项读起来很拗口的研究,究竟有什么用呢?

这种材料目前已经被证明在钙钛矿太阳能电池中有非常好的应用潜力。

等等!怎么又来一个拗口的,钙钛矿太阳能电池又是什么?

第三代太阳能电池

我们都知道,太阳能电池是一种可以直接把光能转化成电能的装置。在追求清洁能源的大背景下,它已经形成了相当大的产业规模。

实际上,太阳能电池的发展过程经历了三个阶段:


图1 各类太阳能电池。

(a)单晶硅太阳能电池;(b)薄膜太阳能电池;(c)钙钛矿太阳能电池。

第一代太阳能电池主要是基于单晶硅。

荒原上,沙漠中,大家印象中的太阳能电池板,通常都是用这类晶体硅材料制成的。不过制造高纯硅面临着造价高、耗能高等难题,这严重制约了硅基太阳能电池的商业应用范围。

第二代太阳能电池主要指薄膜太阳能电池。

它以非晶硅、铜铟镓硒薄膜、碲化镉薄膜为代表。这类太阳能电池最大的优点为成本低,缺点则是效率低,性能随使用时间的增长而衰退。

第三代太阳能电池,也称作新概念太阳能电池,就是今天要重点介绍的钙钛矿太阳能电池。

其实,我不含钙,也不含钛

人们在开发新材料时有两大重要考量:一个是成本,一个是效率。


图2 不同类型的太阳能电池的成本与其光电转换效率的关系

从上面这张图中可以看出,如果电池的光电转换效率能提高到20%以上,电池的供电成本就有大幅度下降的可能。

因此,进一步提高转换效率成为第三代太阳能电池发展的关键。

近几年,钙钛矿太阳能电池的研究不断刷新了光电转化效率的纪录,目前已经超过22%了。

虽然现在每年光伏产业产能的90%以上都来自晶硅电池,但是由于钙钛矿太阳能电池的优良特性众多,越来越多的人对它青睐有加,源源不断的人力、物力都投入到了相关研究当中,钙钛矿太阳能电池巨大的魅力也逐渐展现在了人们面前。

有趣的是,钙钛矿太阳能电池中并没有钙元素,也没有钛元素。


其实,它得名于其中的吸光层材料:一种钙钛矿型物质。

钙钛矿是以俄罗斯矿物学家Perovski的名字命名的,最初单指钛酸钙(CaTiO3)这种矿物,后来把结构与之类似的晶体统称为钙钛矿物质。


钙钛矿太阳能电池中常用的光吸收层物质是甲氨铅碘(CH3NH3PbI3),由于CH3NH3PbI3这种材料中既含有无机的成分,又含有有机分子基团,所以人们也将这类太阳能电池称作杂化钙钛矿太阳能电池。


图3 钙钛矿物质的原子结构

(a)钛酸钙(GaTiO3)晶体的原子结构;(b)钙钛矿太阳能中吸光层物质甲氨铅碘(CH3NH3PbI3)晶体的原子结构。

光电转换效率高

想要了解钙钛矿太阳能电池具有高效性能、备受人们青睐的秘密所在,我们就不得不说说它的光吸收与能量转化的原理了。


图4 激子生成示意图

这一奇妙的过程大致如下:

太阳光入射到电池吸收层后随即被吸收,光子的能量将原来束缚在原子核周围的电子激发,使其形成自由电子。

由于物质整体上必须保持电中性,电子被激发后就会同时产生一个额外的带正电的对应物,物理学上将其叫做空穴。这样的一个“电子--空穴对”就是科学家们常说的“激子”。


图5 钙钛矿太阳能电池的构造与运行机理示意图

激子被分离成电子与空穴后,分别流向电池的阴极和阳极。

带负电的自由电子经过电子传输层到玻璃基底,然后经外电路到达金属电极。带正电的空穴扩散到空穴传输层,最终也到达金属电极。在此处,空穴与电子复合,电流形成一个回路,完成电能的运输。

钙钛矿太阳能电池把光吸收过程与电流运输过程分离,一种介质只负责运输一种电荷,避免了硅基、薄膜太阳能电池中载流子复合率高、载流子寿命短的缺点,所以钙钛矿太阳能电池具有高效的光电转换效率。


将钙钛矿作为光吸收材料,不仅可以大大减小所需的材料厚度,同时还能保持较好的光吸收能力。

就光吸收层厚度而言,第一代和第二代太阳能电池分别需要大概300和2微米的厚度;而钙钛矿太阳能电池以不到0.4微米的光吸收层,就能获得超过20%的光电转换效率。而且它的吸光系数很大,吸光能力比传统染料高一个数量级,对紫外到近红外的光子都具有良好的吸收能力。

另外,钙钛矿太阳能电池是一个三元组份的材料,在ABX每个位置上共有三种元素可以选择,所以这种材料有着无限的操控的空间,这种结构也有着无限的可能性。

没有几近完美的材料

虽然钙钛矿太阳能电池有着许许多多的优点,但它也不是完美的,我们也必须面对它的不足之处,这样才有利于我们今后的改进工作。

首先,目前人们还没有解决此类电池的不稳定性问题。

传统晶硅电池寿命一般可达到25年,而2009年第一块钙钛矿太阳能电池的寿命只有3分钟,发展到现在,其寿命也仅为1000小时。

随着钙钛矿太阳能电池效率取得了突破性进展,人们越来越认识到电池的长期稳定性是其是否能大规模民用化应用的决定性因素。

其次,有毒。

现在性能最好的钙钛矿电池材料都含有铅,这是一种对人体和环境有极大危害的元素。


在使用过程中铅可能会渗出,污染水源和土壤。

最后,目前实验室里制造的大部分钙钛矿太阳能电池的尺寸都很微小,最大的也仅几平方厘米,很难生产较大的连续膜,导致制备大面积器件受阻。


图6 历年来钙钛矿太阳能电池光电转换效率的迅猛增长趋势。

虽然,钙钛矿太阳能电池的研发遇到了诸多困难,但是,近几年这一领域的快速发展使其开始初步显示出潜在的商业化前景。

钙钛矿结构材料自2009年首次应用于光伏技术以来,短短六七年时间,在广大科研人员的努力下,它的光电转化效率就已经从3%提高到22%。

美国有的科学家预测,以新型钙钛矿为原料的太阳能电池的转化效率或可高达50%,为目前市场上太阳能电池转化效率的2倍,这将大幅降低太阳能电池的使用成本。也难怪世界顶级学术杂志Science会把钙钛矿太阳能电池评为该年度的十大科技进展之一。

究竟钙钛矿太阳能电池的光电转换效率能否达到理论预估的50%?钙钛矿太阳能电池距离真正的民用还有多远?能否如同硅晶太阳能电池那样得到广泛使用呢?让我们拭目以待吧。

FR:中国科普博览

责任编辑:suna
索比光伏网&碳索光伏版权声明:

本站标注来源为“索比光伏网”、“碳索光伏"、"索比咨询”的内容,均属www.solarbe.com合法享有版权或已获授权的内容。未经书面许可,任何单位或个人不得以转载、复制、传播等方式使用。

经授权使用者,请严格在授权范围内使用,并在显著位置标注来源,未经允许不得修改内容。违规者将依据《著作权法》追究法律责任,本站保留进一步追偿权利。谢谢支持与配合!

推荐新闻
北京经济技术开发区:推动先进能源产业应用钙钛矿材料等实现太空、地面多维度发展来源:北京市人民政府 发布时间:2026-09-23 16:17:21

本文介绍了北京经济技术开发区发布的《关于加快新材料产业创新发展的若干措施》,旨在系统性推动新材料产业高质量发展。文件明确聚焦先进基础材料、关键战略材料和前沿创新材料三大方向,尤其突出钙钛矿等新型能源材料在先进能源领域的应用,支持其向太空能源、地面储能等多场景拓展。措施围绕“创新驱动—成果转化—双向赋能—要素保障”逻辑链,提出核心技术攻关、产学研协同、“AI+新材料”融合、中试平台建设、京津冀协同发展等12项具体举措,涵盖资金支持、平台搭建、场景开放、人才引育和金融赋能等内容。政策有效期至2028年底,适用范围覆盖亦庄新城全域,强调国产替代、技术转化与产业生态构建。(199字)

中企在阿塞拜疆投资建设的大型光伏项目正式并网来源:新华社 发布时间:2026-09-23 08:55:35

由寰泰能源投资建设的阿塞拜疆戈布斯坦100兆瓦光伏电站于9月16日在巴库正式并网。该项目位于加拉达格区,安装约20万块太阳能电池板,配套建设一座110千伏升压站,年发电量预计达2亿千瓦时,可节约天然气约4500万立方米、减少碳排放约9.7万吨。作为中阿能源合作的重要成果,项目恰逢两国自2025年建立全面战略伙伴关系后务实合作深化期。阿塞拜疆总统阿利耶夫在并网仪式上肯定可再生能源合作成效,强调该领域已成为双边合作亮点,并表示欢迎更多中国企业赴阿投资绿色能源项目。此举亦契合阿方加速能源转型、提升绿色电力出口能力的国家战略。

东方日升 RisenFlex Nova 首批 pHJT CIC 电池成功下线!来源:东方日升新能源 发布时间:2026-09-22 10:13:55

东方日升于2026年8月29日成功下线首批pHJT CIC空间太阳能电池,具备轻量化、高转化效率与优异抗辐照可靠性。RisenFlex Nova系列支持尺寸定制,适配特殊环境,开放客户验证。后续将持续优化良率、效率与可靠性,加速产品迭代升级。

钙钛矿视觉传感器项目落地宁波产业园!来源:钙钛矿工厂 发布时间:2026-09-22 09:29:29

2026中国浙江·宁波人才科技周于9月20日在宁波开幕,甬港创科中心首批10个人才科创项目集中签约入驻。该中心由宁波市委人才办、宁兴集团与高新区共建,立足甬港两地优势,打造“宁波产业园”与“香港研发园”双平台,推动“香港研发、宁波智造”协同模式。其中5个项目落地宁波产业园,包括丁宇宬团队主导的高性能钙钛矿视觉传感器项目,拟建设研发中心与中试基地;另有超材料制冷化纤、三维风场测绘卫星星座、多传感食品智控及高灵敏生物磁检测装备项目同步入驻。另5个项目入驻香港研发园,涵盖舜宇、汉科等龙头企业及人形机器人、氮化镓芯片等前沿方向。香港特区政府将提供全周期创业支持,助力大湾区与长三角科技资源联动。(198字)

中国太阳能电池板出口在2026年8月下降39%来源:IDN 发布时间:2026-09-20 09:39:39

2026年8月,中国太阳能电池和电池板出口量同比下降39%,至84万吨;出口额达22.5亿美元,同比下降23.1%;出口数量约为9.249亿块,同比减少37.8%。尽管环比微增(较7月的83万吨略有上升),但这是在政府取消出口退税优惠政策后连续第四个月出现同比下降。作为全球最大的太阳能电池及组件生产国,中国此次出口持续下滑反映出政策调整对行业外贸格局的显著影响——出口激励弱化正推动出口节奏放缓、贸易结构面临重塑。数据源自中国海关统计,经路透社报道确认。

Alpex Solar在印度投产2.2GW TOPCon 电池厂来源:光伏情报处 发布时间:2026-09-20 09:32:30

Alpex Solar在印度北方邦马图拉正式投产一座2.2GW G12R TOPCon太阳能电池工厂,标志着其后向一体化战略的关键落地。该厂旨在增强本土电池产能,提升对印度市场的供应保障能力,并支撑公司覆盖光伏电池、组件、太阳能水泵、铝边框及EPC工程的垂直一体化业务布局。公司已在北方邦和中央邦建成多个生产基地,具备TOPCon、双面、单晶PERC及半片等多种技术路线的组件量产能力。为支持扩张,Alpex Solar已获印度本土工业机构21.5亿卢比(约2590万美元)投资,并于去年12月通过发行年利率14.75%的不可转换债券再融资12.5亿卢比(约1380万美元)。此举亦呼应印度ALMM清单中持续增长的电池产能备案趋势——截至2026年8月,全国备案电池总产能达35468MW。

1GW太阳能电池大单落地来源:索比光伏网 发布时间:2026-09-20 09:03:16

印度光伏企业Vikram Solar与Avaada Electro签署1GW太阳能电池供货协议,采购符合印度ALMM清单要求的n型G12R TOPCon半片电池,供货自2026年9月起,合同金额约125亿印度卢比(1.5亿美元)。该订单旨在满足印度DCR(本土制造含量)政策下组件生产的电池供应需求,增强Vikram Solar供应链稳定性。Avaada Electro将于2026年7月正式列入ALMM清单。目前,Vikram Solar正加速垂直一体化布局:其6GW电池工厂已投产,7月组件车间投运,2026年1月完成组件向G12R规格切换,4月全球组件累计出货超10GW;规划至2027财年末实现9GW电池产能,并持续推进硅锭、硅片扩产及9GW高效制造基地建设,预计2027财年第四季度投产。

水下太阳能电池实现南海10米深处稳定运行来源:中国科学报 发布时间:2026-09-15 10:05:58

本文报道了西南联合研究生院与云南大学张文华团队在水下太阳能电池领域的突破性进展:其研发的宽能带隙浸没式钙钛矿太阳能电池,可在南海10米水深下稳定运行,单次工作两小时即可输出324兆瓦时电能,满足锂离子电池充电需求;在模拟及实地测试中,电池经1160小时运行和300天氮气储存后,效率分别保持近乎不变和达初始值的96%,展现出优异的水下耐久性与长期稳定性。研究通过定制光学滤光系统模拟水下光谱,并成功将大面积电池模块集成于水下机器人,在涠洲岛海域完成真实环境验证。该成果为远海传感器、监测设备及通信系统提供了可行的绿色能源解决方案,并为后续探索不同水深极限及建立水下光伏标准化测试体系奠定基础。(199字)

美国商务部最终对来自印度、印度尼西亚和老挝的太阳能进口征收高额关税来源:路透社 发布时间:2026-09-14 08:52:30

美国商务部最终裁定,对来自印度、印度尼西亚和老挝的太阳能电池及组件征收高额反倾销与反补贴关税,认定这些国家生产商存在倾销行为并获得不公平政府补贴。具体税率方面,三国反倾销税率分别为123.04%、94.36%和65.43%;反补贴税率则分别为126.09%、73.2%–173.7%和82.03%–153.67%。该调查由美国太阳能制造与贸易联盟发起,成员包括First Solar、韩华Qcells等本土企业。联盟称此举旨在维护公平竞争环境。下一步,美国国际贸易委员会将于10月14日裁定进口是否对国内产业造成实质性损害;若认定成立,商务部预计11月发布最终征税命令。此案延续了自2012年针对中国太阳能产品启动的长期贸易争端,反映了美国为遏制产能转移、保护本土制造业所采取的持续性贸易措施。(199字)

包头市:布局钙钛矿、叠层等新一代太阳能电池技术来源:包头市人民政府 发布时间:2026-09-11 08:49:42

包头市于9月8日发布《“十五五”时期推动清洁能源产业高质量发展行动方案》,旨在加快构建清洁低碳、安全高效的新型能源体系,助力老工业基地绿色转型。方案提出到2030年实现新能源并网装机2400万千瓦、储能装机750万千瓦的发展目标,并围绕供给提升、储能扩容、风光制氢、传统能源清洁利用及生物质开发五大方向部署重点任务。在装备升级方面,强调做优晶硅光伏配套(如铝边框、多晶硅芯),同时前瞻性布局钙钛矿、叠层等新一代太阳能电池技术产业,推动技术迭代与本地化配套。此外,方案还系统规划了电网强化、氢能管网、充换电设施、创新平台建设及产业生态优化等支撑举措,突出以新质生产力引领清洁能源全产业链高质量发展。(199字)

西南地区首个工业级钙钛矿/晶硅叠层光伏实证项目落地云南来源:钙钛矿光链 发布时间:2026-09-09 09:24:56

西南地区首个工业级钙钛矿/晶硅叠层光伏实证项目在云南丽江落地,依托云南省重大科技专项“绿氢高效制备关键技术研究及应用”,由昆明理工大学、三峡集团云南公司与仁烁光能联合实施。项目突破两大核心技术瓶颈:一是研发出稳定性显著提升的钙钛矿/硅叠层太阳能电池,光电转化效率达33%,双85老化1100小时后性能保持率超90%;二是开发出高性能钴基非贵金属电解水催化剂,实现大电流下高效稳定制氢。配套建成1000Nm³/h“光伏直连制氢”示范工程,年产绿氢320吨,并投运高原适用的集装箱式氢燃料电池热电联产系统,形成覆盖“发电—制氢—储运—用能”的全链条零碳微循环模式。(199字)