目前，鈣鈦礦太陽能電池離商業(yè)化大規(guī)模發(fā)展仍然存在不小的距離，而全球的科研團(tuán)隊(duì)正日以繼日的推動(dòng)鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展，讓我們一起來看看，在過去的一年，鈣鈦礦太陽能電池都取得了哪些研究進(jìn)展。

1、韓國科學(xué)家提高鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)化效率達(dá)到22.1%

鈣鈦礦太陽能電池的吸光材料通常采用鉛或鎳的鹵化物，這類吸光材料光電性能優(yōu)良、制造成本較低，是近年來的研究熱點(diǎn)。

通過改進(jìn)鈣鈦礦太陽能電池金屬鹵化物吸光材料的制造方法，韓國科學(xué)家將鈣鈦礦太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率提升到22.1%，此前鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的最高紀(jì)錄是20.1%。

鉛或鎳的鹵化物晶體結(jié)構(gòu)中的微小缺陷會妨礙光能轉(zhuǎn)化為電能，是限制鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵因素。據(jù)了解，新方法由該機(jī)構(gòu)與韓國化學(xué)技術(shù)研究所、漢陽大學(xué)共同研發(fā)，關(guān)鍵在于減少吸光材料的結(jié)構(gòu)缺陷。具體是在作為原料的有機(jī)陽離子溶液中額外添加了碘離子，制造出了晶體結(jié)構(gòu)缺陷較少的吸光材料。

實(shí)驗(yàn)表明，用這種低成本方法制造金屬鹵化物吸光層，可使小型鈣鈦礦太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率提高兩個(gè)百分點(diǎn)，相關(guān)成果已獲得美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可，論文發(fā)表在美國《科學(xué)》雜志上。

2、杭州纖納光電鈣鈦礦薄膜大面積組件效率三破世界紀(jì)錄

在短短一年時(shí)間三次打破世界紀(jì)錄，而且效率的提升相對于太陽能電池這個(gè)行業(yè)來說都屬于“大躍進(jìn)”。15.2%、16.0%、17.4%，這三個(gè)數(shù)字訴說著杭州纖納光電在2017年的榮耀。

據(jù)了解，早在2016年，纖納光電團(tuán)隊(duì)就解決了鈣鈦礦光伏組件大面積生產(chǎn)均一性的問題，從而將鈣鈦礦光伏組件效率的世界紀(jì)錄從從12.1%提高到了15.2%，在進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)工藝之后，該效率提高到了16.0%，在幾個(gè)月之后，這一效率又被刷新為17.4%，這樣的組件效率值已經(jīng)與市面上常見的多晶硅組件效率不分上下。

目前主要的高效率單體鈣鈦礦太陽能電池的制備方法都只適用于實(shí)驗(yàn)室的小面積測試，少數(shù)大面積鈣鈦礦太陽能電池組件的認(rèn)證效率都不超過12.1%，大面積的組件無法復(fù)制大學(xué)實(shí)驗(yàn)室里小型電池的轉(zhuǎn)化效率，是目前鈣鈦礦電池難以商業(yè)化發(fā)展的主要制約因素之一。杭州纖納光電制備出的大面積鈣鈦礦薄膜光伏組件效率突破到17.4%，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3、日本提高鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)換率

據(jù)日本媒體報(bào)道，針對新一代太陽能電池“鈣鈦礦太陽電池”材料，東京大學(xué)先端科學(xué)技術(shù)研究中心的科研人員，通過添加地球上較多存在的鉀元素，實(shí)現(xiàn)了結(jié)晶構(gòu)造的穩(wěn)定性，在不使用銣等稀有金屬的前提下，實(shí)現(xiàn)了20.5%的高轉(zhuǎn)換效率。

目前，鈣鈦礦太陽電池轉(zhuǎn)換效率大于20%的太陽能電池，多數(shù)采用銣、銫等稀有金屬來維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。而東京大學(xué)研究小組在特定條件下通過添加鉀元素保持結(jié)晶結(jié)構(gòu)，在完全不使用稀有金屬的前提下，成功制作了無缺陷規(guī)整的發(fā)電層，由于對電子流動(dòng)不形成阻礙，從而提高了轉(zhuǎn)換效率與發(fā)電安定性。

此外，該研究組還確認(rèn)采用鉀使電流、電壓變化的方式，可抑制發(fā)電量變化的“遲滯現(xiàn)象”。比使用銣等金屬的抑制效果更高，可做到更穩(wěn)定的發(fā)電。

4、上海交大團(tuán)隊(duì)研發(fā)出高效率鈣鈦礦模塊

國際著名學(xué)術(shù)期刊《Nature》在線發(fā)表了上海交通大學(xué)韓禮元教授團(tuán)隊(duì)的研究成果。該團(tuán)隊(duì)使用更加經(jīng)濟(jì)安全的新方法制備出比蟬翼還薄數(shù)十倍的大面積鈣鈦礦薄膜，向?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模低成本的目標(biāo)邁出了重要一步。

鈣鈦礦電池材料結(jié)構(gòu)十分脆弱，因此其薄膜面積很難做大，這已經(jīng)成了世界級難題。之前，科學(xué)家一直嘗試用“真空蒸鍍法”和“溶液法”來制作鈣鈦礦薄膜，超過20%認(rèn)證效率的鈣鈦礦太陽能電池面積頂多像個(gè)米粒那么大。韓禮元教授團(tuán)隊(duì)研制出的鈣鈦礦薄膜，比蟬翼還要薄上幾十倍，只有1微米，面積達(dá)到400平方厘米。

據(jù)了解，韓禮元教授團(tuán)隊(duì)引進(jìn)甲銨氣體，利用化學(xué)反應(yīng)和創(chuàng)新的制備技術(shù)，制備出有效面積達(dá)36.1平方厘米的模塊，在國際機(jī)構(gòu)首次獲得12.1%的認(rèn)證效率，創(chuàng)下了第一個(gè)大面積鈣鈦礦模塊的效率世界紀(jì)錄。

上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室韓禮元教授預(yù)計(jì)未來大面積鈣鈦礦模塊的效率將做到16%、18%，下一步將盡快想辦法把效率提高，然后將面積再做大。韓禮元教授表示，成本上來看，大面積鈣鈦礦模塊轉(zhuǎn)化率達(dá)到15%以上，其成本就可以比硅電池便宜一半以上。

5、有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池研究獲進(jìn)展

雖然有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率已提升到22.1%，但是還是存在穩(wěn)定性、遲滯效應(yīng)及大面積制備等問題。目前廣泛報(bào)道的快速退火方法制備的鈣鈦礦太陽能電池器件的J-V曲線表現(xiàn)出明顯的遲滯效應(yīng)。

中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心熊奕敏課題組副研究員曹亮與中科院上海應(yīng)用物理研究所高興宇課題組、蘇州大學(xué)孫寶全課題組合作，發(fā)現(xiàn)提高有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦薄膜結(jié)晶相純度尤其是表面結(jié)晶相純度，能有效消除鈣鈦礦太陽能電池器件遲滯效應(yīng)和提升器件性能，并且器件遲滯效應(yīng)的消除并不依賴于器件結(jié)構(gòu)。此項(xiàng)研究揭示了鈣鈦礦結(jié)晶相純度尤其是表面結(jié)晶相純度對器件J-V遲滯效應(yīng)有重要影響。

據(jù)了解，研究人員利用上海光源的掠入射X射線衍射（GIXRD）對制備的CH3NH3PbI3-xClx薄膜進(jìn)行了系統(tǒng)表征。通過改變X射線的探測深度發(fā)現(xiàn)鈣鈦薄膜結(jié)晶相不純，尤其是薄膜表面存在明顯的多相結(jié)構(gòu)。

為了明確有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦薄膜結(jié)晶相純度，尤其是表面相純度對器件遲滯效應(yīng)和性能的影響，研究人員通過優(yōu)化后處理?xiàng)l件提高了的CH3NH3PbI3-xClx薄膜的結(jié)晶相純度，消除了薄膜表面的多相結(jié)構(gòu)。基于此類薄膜的器件未表現(xiàn)明顯遲滯效應(yīng)，且光電轉(zhuǎn)換性能得到進(jìn)一步提升。

值得說明的是，器件遲滯效應(yīng)的消除并不依賴于器件結(jié)構(gòu)，即正式N-i-P結(jié)構(gòu)或反式P-i-N結(jié)構(gòu)，揭示了鈣鈦礦結(jié)晶相純度尤其是表面結(jié)晶對器件J-V遲滯效應(yīng)和性能有主要影響。結(jié)合XPS和SEM結(jié)果，充分說明有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦薄膜表面結(jié)晶相純度影響表面或者晶界處低配位的Pb和I離子。這些離子作為電荷陷阱，導(dǎo)致遲滯效應(yīng)及低光電轉(zhuǎn)化效率。因此，提高鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶性、尤其是表面的結(jié)晶相純度，有利于開發(fā)高性能無遲滯有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池。

6、瑞士新技術(shù)顯著提高鈣鈦礦太陽能電池實(shí)用性

目前，鈣鈦礦太陽能電池商業(yè)化的一個(gè)限制在于，材料在陽光下容易性能衰減。瑞士科學(xué)家將鈣鈦礦太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率提高到了20％并使其更耐用，有望推動(dòng)鈣鈦礦太陽能電池更快投入商業(yè)應(yīng)用。

鈣鈦礦太陽能電池在接收太陽光之后，會產(chǎn)生電子和電子空穴，此時(shí)就需要一種高效的媒介把它們傳輸?shù)诫姌O上。目前的媒介材料造價(jià)高且不穩(wěn)定，所以尋找性能穩(wěn)定和低廉的媒介材料就成了關(guān)鍵。

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研究發(fā)現(xiàn)，硫氰酸亞銅可作為一種廉價(jià)、穩(wěn)定的媒介材料。鈣鈦礦太陽能電池如果涂覆上60納米厚的硫氰酸亞銅涂層，在60攝氏度高溫下暴曬長達(dá)1000小時(shí)的加速老化試驗(yàn)中，性能損耗小于5％。

這一成果發(fā)表在新一期美國《科學(xué)》雜志上。

7、北大研究團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦的生長機(jī)理原位研究方面取得新進(jìn)展

鈣鈦礦分為正式（n-i-p）和反式（p-i-n）兩種結(jié)構(gòu)。常規(guī)的正式器件制備工藝相對復(fù)雜，且與柔性基底的兼容性不好。相比較而言，反式結(jié)構(gòu)器件因制備工藝簡單、可低溫成膜、無明顯回滯效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)受到越來越多的關(guān)注，但是其光電轉(zhuǎn)換效率還稍顯不足。

為解決反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦電池器件效率較低的問題，北京大學(xué)“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)”的朱瑞研究員和龔旗煌院士等從鈣鈦礦薄膜形貌控制、界面調(diào)控及組分優(yōu)化等角度進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究，取得了一系列創(chuàng)新成果。

他們利用醋酸鉛前驅(qū)體體系，先是將微量溴甲胺作為添加劑應(yīng)用于鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中，該策略可以有效改善鈣鈦礦薄膜的表面形貌，使其光學(xué)和電學(xué)性能均得到明顯提升。最終，基于醋酸鉛前驅(qū)體的反式平面結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率從14.26%大幅度提高至18.32%。

隨后，他們又借助界面調(diào)控，首次在鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域提出了“電荷載流子平衡”的概念，并系統(tǒng)地研究和實(shí)現(xiàn)反式鈣鈦礦太陽能電池器件內(nèi)的電荷載流子平衡，將反式鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提升至接近19%。

之后，該團(tuán)隊(duì)又進(jìn)一步采用雙源前驅(qū)體溶液法，在體系中引入“甲脒”有機(jī)陽離子將吸收光譜拓展至近紅外區(qū)域，并結(jié)合對空穴傳輸層的優(yōu)化，確保了電荷有效傳輸和收集，同時(shí)提升了器件的開路電壓，最終將光電轉(zhuǎn)換效率提升至20%以上。

該系列研究工作得到中國國家自然科學(xué)基金委、科技部、北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、“極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心”“2011計(jì)劃”量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、“青年”和美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）等單位的支持。

8、西安交大在非鉛鈣鈦礦太陽能電池研究中取得重要進(jìn)展

基于甲基銨鉛碘鈣鈦礦太陽能電池雖然是國際上科研以及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)，但是有鉛的毒性和對環(huán)境的損害成為制約其發(fā)展的因素之一，因而發(fā)展非鉛鈣鈦礦太陽能電池意義重大。對于非鉛鈣鈦礦薄膜（錫基鈣鈦礦等）而言，其結(jié)晶特性、薄膜形態(tài)與缺陷等更難控制，而這些缺陷是導(dǎo)致其性能破壞的重要因素，因此高質(zhì)量、低缺陷非鉛鈣鈦礦（錫基）薄膜的制備技術(shù)是突破其發(fā)展的關(guān)鍵。

針對非鉛鈣鈦礦電池的技術(shù)難點(diǎn)，西安交大電信學(xué)院吳朝新教授率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地開展了新型高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜制備技術(shù)、動(dòng)力學(xué)過程及其高性能非鉛鈣鈦礦太陽能電池的研究，在國際上率先發(fā)展了“蒸鍍-旋涂”的鈣鈦礦薄膜制備技術(shù)，并基于這種“蒸鍍-旋涂/浸泡”薄膜制備技術(shù)，成功地解決了錫基鈣鈦礦成膜的瓶頸，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量低缺陷的錫基鈣鈦礦薄膜，國際上首次報(bào)道室溫制備甲瞇錫碘鈣鈦礦太陽能電池其柔性器件光轉(zhuǎn)換效率3.98%。該研究成果在國際頂尖期刊AdvancedMaterials（IF18.96）發(fā)表。

9、我國鈣鈦礦制備技術(shù)取得突破

目前鈣鈦礦太陽電池的各項(xiàng)研究都處于快速發(fā)展的階段，但是若要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化發(fā)展，鈣鈦礦電池就必須從電池做到組件，并具備優(yōu)異的性能。2017年，武漢理工大學(xué)程一兵專家團(tuán)隊(duì)在兩項(xiàng)鈣鈦礦太陽能制備技術(shù)方面取得突破，達(dá)到國際上同類產(chǎn)品的最高光電轉(zhuǎn)換效率。

在5cmx5cm塑料基板柔性鈣鈦礦太陽能電池組件的研制中，程一兵團(tuán)隊(duì)研制出光電轉(zhuǎn)換效率11.4%的鈣鈦礦電池組件，超越日本東芝公司5cmx5cm柔性鈣鈦礦太陽能電池組件10.5%的光電轉(zhuǎn)換效率。

程一兵團(tuán)隊(duì)在10cmx10cm玻璃基板鈣鈦礦太陽能電池組件制備技術(shù)也取得突破，經(jīng)國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心驗(yàn)證，其相關(guān)組件光電轉(zhuǎn)換效率為13.98%，在國際上經(jīng)過驗(yàn)證的同類產(chǎn)品中位居效率首位。

據(jù)了解，程一兵團(tuán)隊(duì)依托武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2015年以來致力于鈣鈦礦太陽能電池組件制備技術(shù)的研發(fā)。這兩項(xiàng)突破表明我國科研人員在鈣鈦礦光伏組件制備技術(shù)上走在了世界前列。

10、“印刷術(shù)”突破柔性鈣鈦礦太陽能電池難題

中科院化學(xué)所綠色印刷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究人員利用“印刷術(shù)”突破了柔性鈣鈦礦太陽能電池難題，有望為柔性可穿戴電子設(shè)備提供可靠電源。這一成果在國際學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)材料》（Adv.Mater.）上刊發(fā)。

鈣鈦礦材料其本身薄，基材厚度在一毫米以內(nèi)，極具在人體上穿戴的可能；但材質(zhì)脆，不耐彎折。研究人員通過納米組裝-印刷方式制備出“蜂巢狀納米支架”可作為力學(xué)緩沖層，實(shí)現(xiàn)了柔性鈣鈦礦太陽能電池更高的力學(xué)穩(wěn)定性。同時(shí)，研究人員在器件內(nèi)部搭起光學(xué)諧振腔，實(shí)現(xiàn)了50平方厘米面積上12.32%的光電轉(zhuǎn)化率，在高效率電池在大面積可重復(fù)性上取得重大突破。

這項(xiàng)研究通過納米組裝-印刷方式制備了鈣鈦礦的蜂巢狀納米支架，并在其內(nèi)部搭建起“光學(xué)諧振腔”，這兩項(xiàng)創(chuàng)新同時(shí)提高了柔性鈣鈦礦太陽能電池力學(xué)穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)化率。