应对钙钛矿太阳能电池挑战，中国科学家如是说

钙钛矿型太阳能电池因其低成本和高转换效率成为光伏领域的研究热点。然而，稳定性、大规模制造和效率转换等诸多挑战正日益成为国内研究者必须面对的问题。

两年前，中国科学院半导体研究所研究员游景碧的研究小组在钙钛矿电池的转换效率方面取得了突破。

不久前，南京工业大学先进材料研究所的陈永华教授和西北工业大学的黄炜院士等合作者开发了一种高效稳定的二维层状钙钛矿太阳能电池，并在国际期刊《自然光子学》上发表，成为离子液体在钙钛矿领域应用的又一个突破。

然而，北京大学物理学院的朱瑞研究员和中国科学院的龚和黄伟院士在中国率先开展了混合阳离子钙钛矿太阳能电池在邻近空间稳定性的研究。《中国科学:物理、力学和天文学》2019年第7期的封面文章报道了这项研究。

“以前，我可能没有时间冷静下来，看看学生们的实验、进度和报告。现在我可以集中精力挖掘，看看有没有什么新的东西，并开拓一些新的想法。”余静碧思考着如何尽快开展一些有意义的工作。

挑战1:没有稳定性，就没有应用。

“没有稳定就没有应用。主要的瓶颈是稳定性问题。”提到钙钛矿太阳能电池的稳定性，于景碧毫不犹豫地说道。

他指出，2009年开始研究时，钙钛矿太阳能电池的稳定性很差，但经过多年的关注和努力，稳定性得到了很大提高。目前，最佳稳定性已达到10000小时，但仍需要一个过程来完全满足工业化要求。

“钙钛矿太阳能电池已经非常高效。小面积电池比传统的无机薄膜电池更有效，例如铜铟镓硒和碲化镉。余静碧说道。

“如果钙钛矿电池想要产业化，使用寿命是最重要的。硅电池的预期寿命是25年，但钙钛矿电池仍然远远不够。我们的发展方向也是走向稳定。”陈永华也同意稳定的重要性。

“2016年前后，人们仍然认为稳定性是一个非常严重的问题，但经过近几年的不懈努力和探索，已经出现了许多成果，设备的稳定性也有了显著提高，”朱瑞说，他相信只要有足够的时间和投资，稳定性就不再是一个难以解决的问题。

陈永华说，尽管在稳定性方面取得了一些可喜的进展，但目前的研究主要集中在钙钛矿薄膜的钝化上，创新性的突破尚未实现。

此外，陈永华认为，除了钙钛矿活性层本身之外，其他功能层的设计和器件的封装技术需要大量的集成资源和团队来专注于主要问题，以实现整个链的集成设计。

挑战2:大规模制造、光电转换效率、工业化

中国一直是高效大面积钙钛矿电池的世界领导者。例如，杭州先娜已经多次创造了大面积钙钛矿电池的世界纪录。国际社会也取得了一些重要进展。例如，日本的松下可以实现800平方厘米的大面积和16.1%的效率。随着新型薄膜沉积技术的发展，具有更高转换效率的大面积钙钛矿电池模块指日可待。

大规模制造已经成为制约工业化的另一个问题。目前，实验室正在做非常小的领域。工业化必须发展成大规模的模块。“大部分地区主要是技术问题。结合基础研究的创新成果，光伏企业更需要占据主导地位，这可以显著加快大规模产业化进程。”余静碧说道。

俞景碧认为，除了电池稳定性和大规模制备等关键问题外，人们还希望看到电池效率的进一步提高。基于目前的钙钛矿材料体系，电池效率的进一步提高遇到了瓶颈。大大提高其效率的一个令人兴奋的方法是用传统的硅电池形成叠层电池。目前，世界上钙钛矿/硅基叠层电池的效率已经达到29.1%。

“钙钛矿电池的长期稳定性仍远不如传统的硅电池。目前，钙钛矿电池可用于一些不需要高稳定性的消费电子产品。目前，国内外都在进行一些产业化研究，主要集中在大规模的准备工作上，全面产业化需要一定的时间积累。”余静碧说道。

关于光电转换效率和大面积的问题，陈永华说，他们的实验室所做的，即一平方厘米，如果面积扩大，将会有薄膜工艺的变化和许多缺陷。效率和稳定性都会下降。此外，每个人都在谈论电池何时会工业化，有些人认为它可能在5到10年内实现。

“因为钙钛矿在弱光下具有优异的光电转换效率，所以与传统硅基电池相比，室内能源供应应用也是钙钛矿光伏的主要优势，传统硅基电池可以利用室内照明和弱阳光，”陈永华说。此外，钙钛矿光伏材料因其轻、薄、软、透明的特点，在未来柔性电子的能源供应中具有不可替代的优势。

面对挑战，科学家们正在行动

谈到钙钛矿型太阳能电池的未来发展方向，朱瑞表示，目前的主流观点是有两条路可走。一种方法是分享光伏产业的“大蛋糕”，因为硅电池已经形成了一个巨大的市场，这种方法可能不太容易。

另一个出路是与硅电池结合，这可能是未来的一个重要发展方向。使用钙钛矿电池可以将硅电池的效率从26%提高到30%以上，这对巨大的民用光伏市场非常有吸引力。因此，面对新兴技术带来的挑战和机遇，我国一些硅基光伏企业也开始向钙钛矿光伏方向提前布局。此外，还需要工业界和学术界的研究人员共同努力，通过不懈的努力解决问题，实现双赢。

此外，朱瑞还描述了正在探索的发展前景。他认为钙钛矿型太阳能电池具有成本低、制备灵活、能量质量比高、抗辐射能力强等优点。它们可以在临近空间(距离地面20-100公里的空域)充分发挥优势，并能为临近的航天器提供能源供应。这可能成为未来的一个重要出路。

钙钛矿太阳能电池分为正式和跨器件结构。朱瑞和他的团队两年前就致力于反式结构钙钛矿太阳能电池的研究，并取得了突破性进展。结果发表在《科学》杂志上。他们创下了这种太阳能电池装置的最高效率记录，该装置的光电效率高达20.9%。朱瑞说，这种反式装置的主要优点之一是，它可以更好地与硅电池结合，并且可以制作在硅表面，最终使整个装置的光电转换效率达到30%以上。

“我们一直致力于提高器件性能，尤其是光电转换效率。近年来，我们主要在这方面做了一些工作。直到2018年，钙钛矿太阳能电池的世界纪录一直被瑞士和韩国等研究机构垄断。那一年，我们提出了用有机盐钝化钙钛矿表面缺陷的方法，并相继开发出转换效率为23.3%和23.7%的钙钛矿太阳能电池，连续两次创下钙钛矿太阳能电池的世界纪录。”游景碧介绍了他们近年来的科研思路和成果。

在谈到随后的科研计划时，于景碧表示，该团队应继续保持光电转换效率的优势。这个领域发展很快。目前25.2%转换效率的世界纪录是由韩国的两个实验小组创造的。他们努力开发一些新的制造技术，使电池效率与最佳国际水平竞争。此外，他们还将开展设备稳定性和大面积电池制备方面的研究工作。

“我们的团队注重稳定性。通过最近开发的离子液体钙钛矿光伏技术，传统的高毒性和不稳定的极性非质子溶剂已经被抛弃。我们在稳定方面取得了很大进展，效率也逐渐达到最高水平。此外，我们还在做一些大规模的技术工作，希望能为行业提供一些思路和想法。”陈永华说。