钙钛矿类太阳能电池的应用前景如何？

1. 钙钛矿类太阳能电池的应用前景如何？

钙钛矿材料在太阳能电池领域前景广阔，行业即将进入快速发展期。
钙钛矿材料，是一种晶体结构材料，结构式为ABX3，A是有机阳离子，B是金属阳离子，X是阴离子。
钙钛矿材料晶体结构独特，具有优异的吸光性、电磁性、电催化性、氧化还原性等特性，其系列产品中既有导体、半导体，也有绝缘体，是一种新型功能材料，下游可应用范围极为广泛。其中，半导体钙钛矿材料可应用于太阳能电池制造领域。

钙钛矿太阳电池结构

晶体结构
钙钛矿晶体为ABX3 结构，一般为立方体或八面体结构。在钙钛矿晶体中，B离子位于立方晶胞的中心，被6个X离子包围成配位立方八面体，配位数为6；A离子位于立方晶胞的角顶，被12个X离子包围成配位八面体，配位数为12，如图 所示，其中，A离子和X离子半径相近，共同构成立方密堆积。
钙钛矿太阳电池中，A离子通常指的是有机阳离子，最常用的为CH3NH3+
(RA = 0.18 nm)，其他诸如NH2CH=NH2+(RA = 0.23 nm)，
CH3CH2NH3+(RA = 0.19-0.22 nm) 也有一定的应用。B离子指的是金属阳离子，主要有Pb2+(RB = 0.119 nm)和Sn2+(RB = 0.110 nm)。X离子为卤族阴离子, 即 I− (RX = 0.220 nm)、Cl−(RX = 0.181 nm)和Br−(RX = 0.196 nm)。

2. 钙钛矿太阳能电池前景

钙钛矿太阳能电池前景很不错
太阳能电池将阳光转换为电能，长期以来一直是全球可再生能源愿景的一部分。虽然单个电池非常小，但当升级到模块时，它们可以用来为电池和电灯充电。
如果并排放置，总有一天，它们可以成为建筑物的主要能源.但是目前市场上的太阳能电池使用的是硅，与传统的电源相比，硅的制造成本很高。
这就是另一种相对较新的材料进入金属卤化物钙钛矿的地方。当嵌套在太阳能电池的中心时，这种晶体结构也能将光转换成电能，但成本要比硅低得多。
此外，钙钛矿基太阳能电池可以使用硬质和更薄的基板制作，因此，除了成本更低之外，它们还可以更轻、更灵活。但是，为了具有现实世界的潜力，这些原型需要在尺寸、效率和寿命上得到提高。
现在，在一项新的研究中，发表在纳米能由冲绳科技研究生院的齐亚彬教授领导的能源材料和表面科学部门的研究人员已经证明，以不同的方式创造钙钛矿所需的原料之一可能是这些细胞成功的关键。

3. 钙钛矿中缺陷研究取得新进展，新一代太阳能电池将离市场更近！

  导读 
    背景 
   1839年，德国矿物学家古斯塔夫·罗斯（Gustav Rose）站在俄罗斯中部的乌拉尔山脉上，拾起一块以前从未被发现的矿物。
   
   那时，他并没有听说过“晶体管”或“二极管”，也没想到电子器件会成为我们日常生活的一部分。更出乎他意料的是，他手中的这块被他以俄罗斯地质学家 Lev Perovski 的名字命名为“钙钛矿（perovskite）”的这块矿石，会成为彻底变革电子器件的关键因素之一。
   钙钛矿如此重要的地位，离不开它特殊的结构。钙钛矿材料结构式一般为ABX3，其中A为有机阳离子, B为金属离子, X为卤素基团。该结构中, 金属B原子位于立方晶胞体心处, 卤素X原子位于立方体面心, 有机阳离子A位于立方体顶点位置。
   
   钙钛矿结构稳定，有利于缺陷的扩散迁移，具备许多特殊的物理化学特性，例如电催化性、吸光性等。
   
   过去十年，钙钛矿因为制造起来更便宜、更绿色，效率可与硅太阳能电池相媲美，逐渐成为硅太阳能电池的替代品。
   
   然而，钙钛矿仍会表现出明显的性能损耗以及不稳定性。迄今为止，大多数的研究集中在消除这些损耗的方法，然而真正的物理原因仍然是未知的。
    创新 
   近日，在一篇发表在《自然（Nature）》期刊上的论文中，来自剑桥大学化学工程与生物技术系以及卡文迪许实验室 Sam Stranks 博士的研究小组，以及日本冲绳科学技术大学院大学 Keshav Dani 教授的飞秒光谱学单位的研究人员们，找到了问题的根源。他们的发现，将使得提升钙钛矿的效率变得更容易，从而使它们离大规模量产更近。
   
    技术 
   当光线照射钙钛矿太阳能电池时，或者当电流通过钙钛矿LED时，电子被激发，跳跃到更高的能态。带负电荷的电子留下了空白，也称为“空穴”，它带正电荷。受激发的电子与空穴都可以通过钙钛矿材料，因此可成为载流子。
   但是，在钙钛矿中会产生一种称为“深阱”的特定类型缺陷，带电的载流子会陷入其中。这些被困的电子与空穴重新结合，它们的能量以热量形式丧失，而不是转化为有用电力或者光线，这样就会显著降低太阳能面板和LED的效率以及稳定性。
   迄今为止，我们对于这些陷阱知道得很少，部分原因是，它们似乎与传统太阳能电池材料中的陷阱表现得大相径庭。
   2015年，Stranks 博士的研究小组发表了一篇研究钙钛矿发光的《科学（Science）》期刊论文，这篇论文揭示了钙钛矿在吸收光线或者发射光线方面有多擅长。Stranks 博士表示：“我们发现，这种材料非常不均匀；相当大的区域是明亮且发光的，而其他的区域则非常黑暗。这些黑暗区域与太阳能电池或者LED中的能量损耗相关。但是，引起这种能量损耗的原因一直是个谜，特别是由于钙钛矿在其他方面非常耐缺陷。”
   由于标准成像技术的限制，研究小组无法说明黑暗区域是由一个大的陷阱位引起的，还是由众多小的陷阱位引起的，从而难以确定它们为什么只是在特定区域形成。
   后来在2017年，Dani 教授在 OIST 的研究小组在《自然纳米技术（Nature Nanotechnology）》期刊上发表了一篇论文，在论文中他们制作了一个有关电子吸收光线后在半导体中如何表现的影片。Dani 教授表示：“在材料或者器件被照射光线之后，如果你可以观察到电荷是如何在其中移动的，那么你将从中学会很多。例如，你可以观察到电荷会落入陷阱。然而，因为电荷移动得非常快，以一千万亿分之一秒的时间尺度来衡量；并且穿越非常短的距离，以十亿分之一米的长度尺度来衡量；所以这些电荷难以进行可视化观测。”
   在了解到 Dani 教授的工作之后，Stranks 博士伸出援手，看看他们是否可以一起合作应对这个问题，对钙钛矿中的黑暗区域进行可视化观测。
   OIST 的团队首次对钙钛矿使用了一项称为“光激发电子显微镜（PEEM）”的技术。他们用紫外光探测材料，并用发射的电子形成一幅图像。
   观察材料时，他们发现含有陷阱的黑暗区域，长度大约是10到100纳米，由较小的原子尺寸陷阱位聚集而成。这些陷阱簇在钙钛矿材料中分布不均，从而解释了 Stranks 较早的研究中观察到的非均匀发光。
   有趣的是，当研究人员将陷阱位的图像覆盖到显示钙钛矿材料晶粒的图像上时，他们发现陷阱簇仅在特定的地方形成，即某些晶粒之间的边界上。
   
   为了理解这种现象为什么只发生在特定晶粒的边界上，研究人员小组与剑桥大学材料科学与冶金系教授 Paul Midgley 的团队合作，他采用了一项称为“扫描电子衍射”的技术，创造出了钙钛矿晶体结构的详细图像。Midgley 教授的团队利用了位于金刚石光源同步加速器 ePSIC 设施中的电子显微镜装置，该设施拥有用于成像像钙钛矿这样的光束敏感材料的专用设备。
   Stranks 研究小组的博士生、这项研究的共同领导作者 Tiarnan Doherty 表示：“因为这些材料是超级光束敏感的，你在这些长度尺度上用来探测局部晶体结构的一般技术，实际上会相当快地改变你正在观察的材料。取而代之的是，我们可以用非常低的照射剂量，从而防止损伤。”
   “我们从 OIST 的工作中知道了陷阱簇的位置，并且我们在 ePSIC 围绕着同一块区域扫描，以观察局部结构。我们能够快速地查明晶体结构中陷阱位附近的意外变化。”
   研究小组发现，陷阱簇只在材料中具有轻微扭曲结构的区域与具有原始结构的区域的结合处形成。
   Stranks 博士表示：“在钙钛矿中，我们拥有这些规则的马赛克晶粒材料，这些晶粒大多数都是又好又崭新的，这是我们所希望的结构。但是，每隔一段时间，你就会得到一个稍微形变的晶粒，这个晶粒的化学成分是不均匀的。真正有意思的，也是一开始让我们困惑的，就是形变的晶粒并没有成为陷阱，而是这个晶粒遇到原始晶粒的地方；陷阱是在那个结合处形成的。”
   通过对于陷阱本性的理解，OIST 的团队也采用了定制的 PEEM 仪器来可视化观测钙钛矿材料中载流子落入陷阱的动态过程。Dani 研究小组的博士生、这项研究的共同领导作者 Andrew Winchester 解释道：“这是可能的，因为 PEEM 的特征之一就是，可对超高速的过程进行成像，短至飞秒。我们发现，陷落的过程受到扩散到陷阱簇的载流子的控制。”
    价值 
   这些发现代表了为了把钙钛矿带向太阳能市场所取得的一项重要突破。
   Stranks 博士表示：“我们仍然无法准确地知道，为什么陷阱聚集在那里，但是我们现在知道它们确实在那里形成，并且只有那里。这非常令人振奋，因为这意味着我们现在可以知道如何有针对性地提升钙钛矿的性能。我们需要针对这些非均匀相，或者以某种方式去除这些结合处。”
   Dani 教授表示：“载流子必须首先扩散到陷阱，这一事实也为改善这些器件提出了其他方案。也许，我们可以改变或者控制这些陷阱簇的排列，而无需改变它们的平均数，这样一来，载流子就不太可能到达这些缺陷部位。”
   团队的研究集中在一种特殊的钙钛矿结构。科学家们也将研究这些陷阱簇是否在所有的钙钛矿材料中都是普遍存在的。
   Stranks 博士表示：“器件性能的大部分进展都是经过反复试错的，然而目前为止，这一直是一个低效率的过程。迄今为止，这个过程还没有真正被‘理解特定原因以及系统性针对该原因’所驱动。它是这方面最重要的突破之一，将帮助我们采用基础科学来设计更高效的器件。”
    关键字 
    参考资料 
   【1】Liu, M.Z., Johnston, M.B. and Snaith, H.J. (2013) Efficient Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells by vaPour Deposition. Nature, 501, 395-398. https://doi.org/10.1038/nature12509
   【2】Tiarnan A. S. Doherty, Andrew J. Winchester, Stuart Macpherson, Duncan N. Johnstone, Vivek Pareek, Elizabeth M. Tennyson, Sofiia Kosar, Felix U. Kosasih, Miguel Anaya, Mojtaba Abdi-Jalebi, Zahra Andaji-Garmaroudi, E Laine Wong, Julien Madéo, Yu-Hsien Chiang, Ji-Sang Park, Young-Kwang Jung, Christopher E. Petoukhoff, Giorgio Divitini, Michael K. L. Man, Caterina Ducati, Aron Walsh, Paul A. Midgley, Keshav M. Dani, Samuel D. Stranks.  Performance-limiting nanoscale trap clusters at grain junctions in halide perovskites . Nature, 2020; 580 (7803): 360 DOI: 10.1038/s41586-020-2184-1
   【3】https://www.oist.jp/news-center/press-releases/shedding-light-dark-traps

4. 钙钛矿太阳能电池技术中国已走在世界前列了吗？

9月30日消息，2017年诺贝尔化学奖大热技术—钙钛矿太阳能电池，武汉理工大学程一兵团队已取得实质性突破，与理想的大规模应用越来越近。


程一兵今天上午在他的实验室接受科技日报记者独家采访时说：该团队开发的5cm x 5cm 塑料基板柔性钙钛矿太阳能电池组件，8月8日通过国家光伏质量监督检验中心第三方认证，获得了组件转换效率11.4%的结果，远超日本东芝公司于今年9月25日宣布的5cm x 5cm柔性钙钛矿太阳能电池组件10.5%的转换效率世界纪录。10cm x 10cm 玻璃基板钙钛矿太阳能电池组件制备技术也获得重大突破，在国家光伏质量监督检验中心验证的组件效率为13.98%，居国际同类产品第三方论证效率首位。




图为：5cm x 5cm塑料基板的柔性电池
钙钛矿太阳能电池是《科学》杂志评选的2013 年度国际上十大科技突破之一，是一种有望进一步降低光伏发电价格的新型光伏体系。武汉理工大学程一兵团队多年来致力于该光伏产品组件的生产技术开发工作。
前不久，科睿唯安发布了2017年的各奖项“引文桂冠奖”。自2002年以来，45位获得“引文桂冠奖”的科学家荣膺诺贝尔奖，因此该奖被认为是“诺奖风向标”。
今年，科睿唯安化学领域获得“引文桂冠奖”的有三项。其中第三项授予日本的宫坂力（Tsutomu Miyasaka）、韩国的朴南圭（Nam-Gyu Park）以及英国的亨利·J·斯内斯（Henry J.Snaith），他们因为发现并应用钙钛矿材料实现有效能量转换而获奖。
北京时间10月4日2017年诺贝尔化学奖就将揭晓，程一兵在获知“钙钛矿太阳能电池技术”成为2017年诺贝尔化学奖“热门”之后，非常兴奋。程一兵团队在上述两项钙钛矿光伏组件的制备技术上的突破，预示着我国科研人员在钙钛矿光伏组件的制备技术上走在了世界的前列。
不管是否获奖，实质上确实有着先进的技术，那比获奖差不到哪里。

5. 科学家们发现，以一种新式钙钛矿为原料的太阳能电池对太阳能转化为电能的转化效率可高达50%，为当前市面

∵P=Wt，∴光电转换系统每天发电量为W=50%×200kW×9h=900kW?h=3.24×109J；煤完全燃烧产生的热量为Q=3.24×109J30%=1.08×1010J，∵Q=mq，∴需要燃烧的煤的质量为m=Qq＝1.08×1010J3.0×107J/kg=360kg．故答案为：900；360．

6. 钙钛矿光伏电池实现突破 商业化进程加快-

近年来，钙钛矿材料正迅速成为太阳能领域的一种热门候选材料。不过它的主要缺点之一，就是容易在阳光直射下，其性能会随着时间的流逝而退化。据报道，来自美国、中国和韩国的科学家组成一支研究团队，研发成功一种可用于钙钛矿光伏面板的新涂层，特点是能够提升其在阳光下的稳定性。科研团队在材料表明沉积一层有机离子，使表面带负电，再让带正电的离子与表面带负电的离子配对，这使表面电子变得更中性且稳定。测试结果表明，这些电池能在2000多个小时内保持最初光电转化效率的87％。相比之下，在同样条件下，经历相同时间后，未经处理的太阳能电池性能下降到原来的65％。
  
 点评：该研究为钙钛矿太阳能电池技术商业化和广泛采用奠定了基础，得到了美国能源部能源效率和可再生能源办公室的支持。作为目前主流的光伏技术，晶硅光伏发电效率已越来越接近极限。钙钛矿作为一种人工合成材料，在2009年首次被尝试应用于光伏发电领域后，因为性能优异、成本低廉、商业价值巨大，被《科学》（Science）期刊评为年度十大突破性 科技 进展之一。
  
  A股公司中，拓日新能（002218）在互动平台表示，公司对钙钛矿光伏技术已早有研究，并有项目储备立项。公司正与相关行业企业探讨合作布局。协鑫集成（002506）协鑫集团旗下苏州协鑫纳米 科技 有限公司建成钙钛矿组件中试生产线。
  
 本文源自金融界

7. 刘明侦研发出钙钛矿太阳能电池，在中国的新能源领域有什么影响？

这些成就会使得我们以后研发一些东西更加容易以及快捷。钙钛矿太阳能电池以其制备简单、成本低和效率高的优势在新型光伏技术领域迅速崛起。钙钛矿太阳能电池按照器件结构可分为正式和反式两种结构，相比于正式结构，反式结构器件因制备工艺更加简单、可低温成膜、无明显回滞效应、适合与传统太阳能电池（硅基电池、铜铟镓硒等）结合制备叠层器件等优点，受到学术界和产业界的关注。但仍然存在开路电压与理论值差距较大、光电转换效率仍然偏低等应用瓶颈。

在纳米研究国家重大科学研究计划的支持下，北京大学朱瑞研究员、龚旗煌院士与合作者展开研究，针对反式结构钙钛矿太阳能电池在光电转换效率上存在的瓶颈，提出了“胍盐辅助二次生长”方法，开创性地实现了钙钛矿薄膜半导体特性的调控，显著降低了器件中非辐射复合的能量损失，在提升器件开路电压方面取得了突破，首次在反式结构器件中获得了超过1.21V的高开路电压。

同时，在不损失光电流和填充因子等性能参数的情况下，显著提高了反式结构钙钛矿电池的光电转换效率，实验室最高效率达到21.51%。经中国计量科学研究院认证，器件的光电转换效率高达20.90%，是目前反式结构钙钛矿太阳能电池器件效率的最高记录。

该结果为提升反式钙钛矿太阳能电池器件效率、推进该类新型光伏器件的应用化发展提供了新思路，可进一步拓展到钙钛矿叠层太阳能电池以及钙钛矿发光器件中，具有潜在的应用前景和商业价值。相关成果6月29日在线发表在《科学》杂志上。

8. 钙钛矿太阳能电池前景是怎么样的？

钙钛矿太阳能电池前景很不错。
太阳能电池将阳光转换为电能，长期以来一直是全球可再生能源愿景的一部分。虽然单个电池非常小，但当升级到模块时，它们可以用来为电池和电灯充电。
如果并排放置，总有一天，它们可以成为建筑物的主要能源.但是目前市场上的太阳能电池使用的是硅，与传统的电源相比，硅的制造成本很高。

这就是另一种相对较新的材料进入金属卤化物钙钛矿的地方。当嵌套在太阳能电池的中心时，这种晶体结构也能将光转换成电能，但成本要比硅低得多。
此外，钙钛矿基太阳能电池可以使用硬质和更薄的基板制作，因此，除了成本更低之外，它们还可以更轻、更灵活。但是，为了具有现实世界的潜力，这些原型需要在尺寸、效率和寿命上得到提高。
现在，在一项新的研究中，发表在纳米能由冲绳科技研究生院的齐亚彬教授领导的能源材料和表面科学部门的研究人员已经证明，以不同的方式创造钙钛矿所需的原料之一可能是这些细胞成功的关键。