太阳能革命 – 钙钛矿太阳能电池

在21世纪，太阳能已成为最广泛接受的能源生产方法之一。它利用太阳发出的辐射能，然后可以将其用于各种目的，包括产生热量、电力或引发化学反应。研究表明，到2050年，太阳能将成为主要的能源。

太阳能集热器，如太阳能热水器等应用，捕获太阳辐射并将其作为热能转移到载液中，随后用于加热。

另一方面，太阳能电池通过光伏效应直接将太阳辐射转化为电能。

太阳能既取之不尽又环保，尽管在将光转化为电能的过程中确实存在一些固有的低效率。随着世界寻求可持续能源和应对人为引起的全球变暖的战略，太阳能预计将日益突出，成为应对这些紧迫挑战的宝贵工具。

钙钛矿太阳能电池是一种新型的太阳能集热器。研究表明，它们由不同的材料组成，具有更高的能效能力，是更常用的硅太阳能电池的可行替代品。

什么是钙钛矿？

钙钛矿矿物

卤化物钙钛矿代表了一类有望在太阳能电池领域实现高性能和具有成本效益的生产的材料。“钙钛矿”这个绰号来源于其独特的晶体结构，尽管非卤化物钙钛矿变体，如氧化物和氮化物，在燃料电池和催化剂等其他能源技术中也有应用。简而言之，钙钛矿是一种由天然矿物组成的材料，这些矿物被收集并重新用于多种方式，包括太阳能电池。

近年来，钙钛矿太阳能电池表现出显著的进步，效率迅速提高。从 2009 年报告的 3% 左右开始，他们的效率已经飙升到今天的 25% 以上。 尽管在相对较短的时间内实现了令人印象深刻的效率提升，但钙钛矿太阳能电池必须克服一些挑战，才能将自己确立为具有竞争力的商业技术。

虽然钙钛矿太阳能电池已经展示了具有竞争力的功率转换效率 （PCE） 并具有更高的性能潜力，但与领先的光伏 （PV） 技术相比，它们的稳定性有所欠缺。钙钛矿在暴露于湿气、氧气、长时间的光照、热或外加电压时容易分解。为了提高其稳定性，研究人员正在积极研究钙钛矿材料本身和周围器件层内的降解过程。在寻找可行的商业钙钛矿太阳能产品时，提高这些电池的耐久性至关重要。

传统太阳能电池面临的挑战

目前，绝大多数太阳能电池由硅组成。硅既广泛可用又非常有用，但与其他材料（如钙钛矿）相比，硅本身也存在缺点。硅太阳能电池尽管具有许多优点，但也有几个缺点：

1. 成本：硅太阳能电池的生产，尤其是那些由单晶硅或多晶硅制成的电池，可能需要相对较高的制造成本。尽管随着时间的推移，成本有所下降，但与某些替代技术相比，它们仍然很高。
2. 效率限制：硅太阳能电池受到大约25-27%的效率上限的限制，这意味着它们将太阳光转化为电能的能力被限制在特定的百分比内。这种限制阻碍了它们在弱光条件下发电的能力。这也意味着吸收的大量能量基本上被浪费了。
3. 脆弱性：硅太阳能电池板相对脆弱，可能会因冰雹、强风或物理冲击而损坏。这使得它们不太适合某些环境、海拔和地形。
4. 重量和尺寸：硅太阳能电池板可能很重，这会使安装更加复杂和昂贵，尤其是对于屋顶安装。在某些应用中，它们的尺寸和重量也可能受到限制。
5. 资源密集型：硅太阳能电池的生产需要大量的能源和原材料，包括高纯度硅和各种化学品。这些材料的提取和加工可能会对环境产生非常负面的影响。
6. 温度敏感性：硅太阳能电池在加热时效率会下降。这意味着在非常炎热的气候下，它们的性能可能会降低。
7. 能源回收期：对于硅太阳能电池来说，太阳能电池板产生与其生产中使用的能量一样多的能量所需的时间可能相对较长，尤其是与其他一些可再生能源技术相比。

尽管如此，许多这些缺点正在通过持续的研究和开发得到解决。然而，人们认为能量收集上限是无法超越的，这意味着传统太阳能电池的优势永远无法超过低能效。这是制造商和研究人员现在转向替代材料（如钙钛矿）的主要原因之一。

钙钛矿与传统硅电池相比的优势

硅是用于制造太阳能电池的主要半导体材料，有趣的是，它是地球上第二丰富的元素，仅次于氧。太阳能电池可以使用非晶硅或结晶硅来制造。结晶形式是首选和最广泛使用的选择，因为它具有高功率转换效率 （PCE）。然而，为了有效地发挥作用，材料需要具有非凡的纯度和无结构缺陷，这反过来又增加了生产成本。

“钙钛矿的一个优点是它提供比硅（~0.75V）更高的电压（超过1.9V），但这是以稳定性为代价的：钙钛矿会因暴露在潮湿、高温、氧气和压力下而降解。为了提高使用寿命，我们竭尽全力采用替代原有的成分，加上特殊的接触层和添加的夹层，整体与环境隔离。

John – 可再生能源研究所的常驻太阳能光伏讲师

硅的最大可实现效率已稳定在27%左右。相比之下，与晶体硅相比，钙钛矿表现出卓越的光吸收能力，甚至可以进行调整以利用硅光伏发电无法进入的太阳光谱区域。

钙钛矿表现出独特的缺陷耐受性，即使在存在杂质和缺陷的情况下也能有效运行。因此，这种非凡的材料引起了全世界研究人员的兴趣，并有可能成为未来发电的具有成本效益的途径。

这与硅光伏形成鲜明对比，硅光伏需要在高温和真空条件下制造，这使得它们的制造成本相对较高。另一方面，钙钛矿的生产更加容易和灵活。 它们的灵活性不仅体现在制造中，还体现在应用中——钙钛矿可以轧制甚至印刷。与刚性硅电池相比，刚性硅电池在大量安装时也会占用大量空间，钙钛矿提供了一种占用更少空间但产生更多能量的方法。

然而，钙钛矿的一个主要缺点可能是它们在制造过程中容易产生危险的铅化合物。 因此，全世界的科学家一直在竞争性地寻找替代的、更稳定的钙钛矿材料。他们还在探索各种策略来增强钙钛矿及其结构设计，以寻求利用太阳能。

太阳能和钙钛矿太阳能电池的未来

钙钛矿太阳能电池代表了一种光伏技术，具有集成到太阳能电池板中的巨大潜力。与传统的硅太阳能电池相比，它们具有许多优点，包括成本效益、卓越的效率以及设计和制造的多功能性。然而，仍然存在一些障碍，特别是在钙钛矿电池的长期稳定性和弹性方面。对钙钛矿太阳能电池的研究正在进行中，预计它们将对太阳能的未来产生重大影响。

随着世界竞相实现净零排放，我们看到化石燃料的使用量不断下降，对最有效的可再生能源替代品的需求只会增加。由于太阳能是一种无穷无尽的能源，我们可以期待在最佳太阳能电池部署的竞赛中看到巨大的进步。钙钛矿一旦提炼出来，就可能成为未来，也可能成为通往另一种尚未使用的奇迹材料的垫脚石。

无论钙钛矿和太阳能电池的未来如何，有一点是肯定的——硅太阳能电池的低能效意味着替代太阳能电池材料的使用将不可避免地变得更加普遍。

https://www.renewableinstitute.org/a-revolution-in-solar-power-perovskite-solar-cells/