关于光伏中的钙钛矿-CIGS串联太阳能电池新技术

你知道钙钛矿吗?在科技的发展道路上，离不开能源的助力，特别是再科技飞速发展的今天，而地球上的能源有限，就需要科研人员不断开发新能源，这就再当下最需要研发太阳能的使用。

加州大学洛杉矶分校萨穆里分校工程学院的科学家刚刚发现了一种制造更薄但效率更高的太阳能电池板的方法，该方法能够利用比现有太阳能电池和常规太阳能电池更多的太阳能。

所有光伏太阳能电池都依靠半导体(位于玻璃等电绝缘体和诸如铜之类的金属导体之间的中间地层中的材料)将光能转化为电能。来自太阳的光激发半导体材料中的电子，电子流入导电电极并产生电流。

提到钙钛矿太阳能电池，有人可能理所当然地会想到钙和钛元素，有趣的是此类太阳能电池中既没有钙也没有钛。它得名于其中的吸光层材料：一种钙钛矿型物质。钙钛矿是以俄罗斯矿物学家Perovski的名字命名的，最初单指钛酸钙(CaTiO3)这种矿物，后来把结构为ABX3以及与之类似的晶体统称为钙钛矿物质。在今天介绍的钙钛矿太阳能电池中，阳离子A通常是有机离子CH3NH3+、C2H5NH3+等，B通常为二价金属离子，如Pb2+、Sn2+等，X则为卤素阴离子(Cl-、Br-、I-)。这种材料中既含有无机成分，又含有有机分子基团，所以人们将这类材料称作杂化钙钛矿材料。

新技术是钙钛矿-CIGS串联太阳能电池，这意味着它由两层组成。顶部是钙钛矿的薄层，钙钛矿是由碘和铅制成的廉价材料。在先前的研究和试验中已经证明了这种材料在捕获太阳能量方面非常有效。将钙钛矿喷入由CIGS或铜，铟，镓和硒化物制成的太阳能电池中。

近年来，二维RP层状钙钛矿材料由于其优越的稳定性和光电性能而成为钙钛矿太阳能电池的研究热点。目前，基于液相法制备的二维RP层状钙钛矿薄膜均由多相混合量子阱结构(MQW)组成，即目标量子阱结构与实际获得的相结构有很大不同。

钙钛矿太阳能电池是一种将光能转化为电能的装置，其本质是半导体二极管，发电原理也正是基于PN结的光生伏特现象。PN结是由一个N型掺杂区(N为Negative的字头，这类半导体由于含有较高浓度的电子，带负电而得此名)和一个P型掺杂区(P为Positive的字头，这类半导体由于含有较高浓度的“空穴”，相当于正电荷，带正电而得此名)紧密接触所构成的，其接触界面称为异质结界面(PN结)。当太阳光照射在半导体PN结上时，会激发形成空穴-电子对(激子)。

钙钛矿是一种具有与矿物钙钛氧化物(最早发现的钙钛矿晶体)相同的晶体结构的材料。通常，钙钛矿化合物具有化学式ABX 3，其中“ A”和“ B”代表阳离子，X是与两者键合的阴离子，大量不同的元素可以结合在一起形成钙钛矿结构。

新电池将来自太阳的22.4%的能量转换为可用功率。这是钙钛矿-CIGS串联太阳能电池的最高记录。在美国能源部国家可再生能源实验室进行的独立测试证实了这一结果。为了进行比较，以前的记录转换效率仅为10.9%，低于传统太阳能电池的转换效率，后者为11%至15%。

在接受太阳光照射时，钙钛矿层首先吸收光子产生电子-空穴对。由于钙钛矿材激子束缚能的差异，这些载流子或者成为自由载流子，或者形成激子。而且，因为这些钙钛矿材料往往具有较低的载流子复合几率和较高的载流子迁移率，所以载流子的扩散距离和寿命较长。例如，CH3NH3PbI3的载流子扩散长度至少为100nm，而CH3NH3PbI3-xClx的扩散长度甚至大于1μm。这就是钙钛矿太阳能电池优异性能的来源。然后，这些未复合的电子和空穴分别别电子传输层和空穴传输层收集，即电子从钙钛矿层传输到TiO2等电子传输层，最后被FTO收集;空穴从钙钛矿层传输到空穴传输层，最后被金属电极收集，如下图所示。当然，这些过程中总不免伴随着一些使载流子的损失，如电子传输层的电子与钙钛矿层空穴的可逆复合、电子传输层的电子与空穴传输层的空穴的复合(钙钛矿层不致密的情况)、钙钛矿层的电子与空穴传输层的空穴的复合。要提高电池的整体性能，这些载流子的损失应该降到最低。

尽管钙钛矿前驱体溶液是严格按照化学计量比的方式配置，也难以在沉积的过程中直接形成目标设计的纯相量子阱薄膜。薄膜中夹杂的其他多相钙钛矿成分对钙钛矿器件的性能和稳定性都有极大的负面影响。同时，二维本征结构的光物理性质被其他混杂相尤其是三维相所掩盖。研究人员一直致力于制备纯相二维钙钛矿薄膜，但是一直无法实现。

以上就是钙钛矿相关的太阳能电池解析，相信再过几年到几十年，当人类利用太阳能的技术很成熟的时候，这样就有了无穷尽的能源供给社会的使用，再当下就需要研究者更加努力研究新技术。