鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，這項(xiàng)被Science評(píng)為2013年十大科技進(jìn)展之一的新能源技術(shù)，因?yàn)殛悷槻┦考捌浜献髡叩淖钚峦黄?，終于接近產(chǎn)業(yè)化。。。

華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室陳煒副教授在訪問(wèn)日本國(guó)立物質(zhì)與材料研究院（NIMS）期間，在鈣鈦礦薄膜太陽(yáng)能電池研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。基于P-i-N反式平面結(jié)構(gòu)、通過(guò)優(yōu)化界面工程，全面解決了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池高效率、遲滯現(xiàn)象、器件穩(wěn)定性、大面積器件均勻性和一致性等重要問(wèn)題，首次在國(guó)際權(quán)威太陽(yáng)能電池認(rèn)證機(jī)構(gòu)——日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）認(rèn)證成功大面積（>1cm2）鈣鈦礦太陽(yáng)能電池國(guó)際最高效率（15%），首次將大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池寫(xiě)進(jìn)權(quán)威太陽(yáng)能效率記錄表《Solarcellefficiencytables（Version46）》。這一最新成果的相關(guān)論文今日在Science同步上線發(fā)表，論文通訊作者為NIMS韓禮元教授和瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院MichaelGratzel教授。

太陽(yáng)能取之不盡、用之不絕，規(guī)?；们鍧崱⒖稍偕奶?yáng)能關(guān)于優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、減少環(huán)境污染和全球溫室效應(yīng)的意義十分重大?，F(xiàn)在已經(jīng)市場(chǎng)化的光伏技術(shù)包括第一代晶體硅太陽(yáng)能電池、第二代CIGS、CdTe薄膜太陽(yáng)能電池，盡管每年以30%的速度高速成長(zhǎng)，但其總裝機(jī)發(fā)電量仍不足全球總能耗的1%。尋找新一代更廉價(jià)、更高效的光伏技術(shù)是太陽(yáng)能利用的一個(gè)永恒命題，關(guān)系到未來(lái)太陽(yáng)能在多大程度上取代化石能源。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是最近3年才出現(xiàn)的光伏技術(shù)，其效率記錄提升的速度十分迅猛。目前韓國(guó)KRICT報(bào)道的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率達(dá)到20.1%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他類型的新概念太陽(yáng)能電池，幾乎與發(fā)展數(shù)十年的CIGS等薄膜太陽(yáng)能電池相當(dāng)，而且將來(lái)仍會(huì)有很大的提升空間。見(jiàn)美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）編纂的最新效率記錄表（圖1）。

圖1.歷年來(lái)各類型太陽(yáng)能電池效率記錄（NREL編纂）

此外，鹵化物鈣鈦礦材料AMX3（A=CH3NH3+，NH2-CH=NH2+，Cs+等；M=Pb2+，Sn2+，Ge2+，Co2+，F(xiàn)e2+，Mn2+，Cu2+，Ni2+，Bi3+等；X=Cl-，Br-，I-等）具有原料豐富、成本低廉、光電性質(zhì)優(yōu)越、可溶液加工、可低溫制備（<150℃）等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，使得鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制造成本有望達(dá)到目前晶體硅太陽(yáng)能電池的1/3-1/5。

顯著的效率和成本優(yōu)勢(shì)有望推動(dòng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在未來(lái)跨過(guò)商業(yè)化門(mén)檻，分享乃至顛覆未來(lái)的光伏市場(chǎng)。但是，盡管前景樂(lè)觀，仍有幾朵烏云籠罩在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池真正走向商業(yè)化的路途上。正如美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室光伏認(rèn)證中心負(fù)責(zé)人KeithEmery博士和澳大利亞新南威爾士大學(xué)MartinGreen教授今年年初發(fā)表公開(kāi)評(píng)論所說(shuō)：（1）鈣鈦礦太陽(yáng)能電池普遍存在穩(wěn)定性問(wèn)題，很多電池在測(cè)試的過(guò)程中就發(fā)生了衰變，因此很多文獻(xiàn)報(bào)道的鈣鈦礦電池高效率都無(wú)法通過(guò)第三方認(rèn)證，其真實(shí)性都值得懷疑；（2）鈣鈦礦太陽(yáng)能電池普遍存在遲滯現(xiàn)象，即IV測(cè)試正反掃測(cè)得的結(jié)果存在明顯的不一致。很多論文僅報(bào)道其中一種掃描方式得到的可能是高估的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。KeithEmery和MartinGreen領(lǐng)導(dǎo)著國(guó)際上最權(quán)威的太陽(yáng)能電池認(rèn)證中心，他們對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的負(fù)面意見(jiàn)表明原先的鈣鈦礦電池技術(shù)可能存在嚴(yán)重缺陷，這也可能是為何迄今為止，除了Newport公司認(rèn)證的小面積（<0.1cm2）鈣鈦礦太陽(yáng)能電池得到了認(rèn)證數(shù)據(jù)外，其他國(guó)際權(quán)威認(rèn)證中心在鈣鈦礦電池方向集體失聲的原因。據(jù)了解，日本AIST（5家國(guó)際權(quán)威認(rèn)證中心之一）檢測(cè)過(guò)多家研究單位送檢的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，驗(yàn)證得到的器件性能與基于實(shí)驗(yàn)室所得數(shù)據(jù)的預(yù)期值相差較大。這也是為何在我們于AIST認(rèn)證成功大面積（>1cm2）鈣鈦礦電池15%效率之前，權(quán)威的《SolarCellEfficiencyTables》中鈣鈦礦太陽(yáng)能電池處于空缺狀態(tài)的原因。

我們通過(guò)測(cè)試數(shù)萬(wàn)條IV曲線，在比較了幾種最常見(jiàn)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)以后，發(fā)現(xiàn)P-i-N反式平面結(jié)構(gòu)電池更容易消除遲滯效應(yīng)。電池結(jié)構(gòu)如圖2所示。我們通過(guò)執(zhí)行成功的界面工程，以穩(wěn)定、高導(dǎo)電、能帶調(diào)控的重?fù)诫s型無(wú)機(jī)界面材料在電極附近分別抽取電子和空穴，并在大面積范圍內(nèi)控制消除界面缺陷。這樣做的結(jié)果是：（1）該電池表現(xiàn)出迄今為止各類鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中最佳的填充因子達(dá)0.83，開(kāi)路電壓接近1.1V，小面積（0.09cm2）電池的效率提升到18.3%，大面積（1.02cm2）電池的效率達(dá)到16.2%；（2）無(wú)論是小電池還是大電池，其IV測(cè)試的遲滯效應(yīng)都非常小，并且多批次數(shù)十個(gè)電池都表現(xiàn)出很好的工藝可重現(xiàn)性和器件性能的高度一致性（圖3）；（3）器件表現(xiàn)出迄今為止各類型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池有報(bào)道以來(lái)最好的穩(wěn)定性，1000小時(shí)持續(xù)光照老化前后的性能衰減<10%。PCBM的疏水性質(zhì)和無(wú)機(jī)界面層的化學(xué)穩(wěn)定性對(duì)鈣鈦礦層起到了保護(hù)用途。我們這種反式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)排除了其他由不穩(wěn)定界面材料帶來(lái)的干擾，將鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能衰變的原因都集中到鈣鈦礦材料本身，可以在最大程度上真實(shí)反映鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性到底如何。意外的是，初步加速老化的測(cè)試結(jié)果幾乎是令人滿意的，多塊電池樣品老化前后的效率衰減均不到10%（圖4）。

圖2.基于重?fù)诫s無(wú)機(jī)界面層的反式P-i-N平面結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖