當(dāng)我們漫步在鄉(xiāng)村小道時，屋頂上一片片藍(lán)色玻璃映入眼簾，道旁的路燈也似乎戴上了玻璃帽子。這些神秘的“藍(lán)色玻璃”究竟是何物？它們又扮演著怎樣的角色？ “藍(lán)色玻璃”竟然可以發(fā)電？ 其實(shí)，這些被安裝在屋頂和路燈上的藍(lán)色玻璃是太陽能電池板，是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的核心組成部分。在光照充足的白天，這些電池板將光能轉(zhuǎn)換為電能，為我們的生活提供清潔、可再生的能源。太陽能電池板為何如此神奇，為什么它能夠?qū)⑻柲懿蹲讲⑥D(zhuǎn)化成電能呢？太陽能電池將光轉(zhuǎn)化為電的能力與光電效應(yīng)有關(guān)。光電效應(yīng)是指光照射到某些物質(zhì)（通常是金屬或半導(dǎo)體）表面時，物質(zhì)中的電子獲得足夠的能量，從物質(zhì)表面逸出的現(xiàn)象。光照條件下，太陽能電池可以吸收光子，當(dāng)光子的能量超過半導(dǎo)體電子逃逸能量時，電子就會發(fā)生躍遷，產(chǎn)生電能。什么材料能“擔(dān)此大任”呢？ 地球上含量第二多的元素：“藍(lán)色玻璃”的核心原料 硅是地球上含量第二多的元素，因其具有合適的帶隙（即電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶所需的最小能量），能夠充分地吸收可見光，是目前商業(yè)化太陽能電池中使用最多的半導(dǎo)體材料。 我們平時常見的“藍(lán)色玻璃”大多是多晶硅太陽能電池板，其主要原料是多晶硅。多晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)，由不同晶面取向的晶粒結(jié)晶而成。多晶硅太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率一般為15%-18%，具有成本低的優(yōu)勢，在日常生活中應(yīng)用較多。 如果仔細(xì)觀察不難發(fā)現(xiàn)，太陽能電池板還有深藍(lán)色或黑色，其實(shí)這類太陽能電池板也是以硅為原料，但主要用的是單晶硅。單晶硅由晶面取向相同的晶粒結(jié)晶而成，制備工藝更加復(fù)雜，成本也比多晶硅要高，但是轉(zhuǎn)換效率可達(dá)20%，多用于航空航天領(lǐng)域。

目前，雖然硅基太陽能電池在生活中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但是單質(zhì)硅的帶隙固定，吸收太陽光的光譜范圍有限，導(dǎo)致太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率較低。 然而，在硅之外，還有一種半導(dǎo)體材料，可以解決這些問題。 這種半導(dǎo)體材料，帶隙可調(diào)，還可以疊加使用 鈣鈦礦是一種具有獨(dú)特晶體結(jié)構(gòu)的材料，最初是在天然礦石中被發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在泛指一類具有ABX3結(jié)構(gòu)的化合物，其中A通常是有機(jī)陽離子，B是金屬離子，X是鹵素陰離子。這種結(jié)構(gòu)賦予了鈣鈦礦材料一系列優(yōu)異的光電特性，使其在太陽能電池領(lǐng)域展示出巨大的應(yīng)用潛力。 鈣鈦礦材料可以通過改變材料的組成來調(diào)整帶隙，進(jìn)而調(diào)控其吸收光的波長范圍，最大程度地提高對太陽光的利用效率。正是由于鈣鈦礦材料帶隙可調(diào)的特點(diǎn)，在構(gòu)建太陽能電池時，可以將不同帶隙的鈣鈦礦材料或者鈣鈦礦材料與硅基材料組成疊層結(jié)構(gòu)，提高整體的光吸收效率。此外，鈣鈦礦材料可以通過溶液法等濕法工藝在低溫下制備，制備成本也較低。 大尺寸全鈣鈦礦太陽能電池迎來新突破 目前，鈣鈦礦太陽能電池在0.1平方厘米的活性面積已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高的光電轉(zhuǎn)換效率（大于28%），超過了絕大多數(shù)的硅基太陽能電池。但是，由于大面積鈣鈦礦層不均勻等問題，大于1平方厘米的鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率還較低（26%左右），制約了疊層鈣鈦礦太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 2024年10月14日，中國科學(xué)家在《自然》（《Nature》）期刊發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于“利用優(yōu)化的二維鈣鈦礦在全鈣鈦礦疊層太陽能電池中實(shí)現(xiàn)均勻接觸”的研究，他們成功將1.05平方厘米尺寸的全鈣鈦礦疊層太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高至28.5%。 研究團(tuán)隊(duì)將4-氟苯乙胺和4-三氟甲基苯基銨兩種分子引入鈣鈦礦中，4-氟苯乙胺的引入提高了鈣鈦礦薄膜與電子傳輸層的均勻性，4-三氟甲基苯基銨增強(qiáng)了電荷的傳輸，二者的結(jié)合大大提高了鈣鈦礦太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，面積為1平方厘米的寬帶隙單結(jié)鈣鈦礦太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了20.5%。通過與窄帶隙鈣鈦礦電池的堆疊，面積為1.05平方厘米的全鈣鈦礦疊層電池的轉(zhuǎn)換效率可提高至28.5%，相比于目前該尺度全鈣鈦礦疊層太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率提升約2個百分點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了大面積鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的突破。

鈣鈦礦太陽能電池，未來大有可為 鈣鈦礦太陽能電池作為低成本、高光電轉(zhuǎn)換效率的第三代太陽能電池的代表，具有很大的應(yīng)用潛力。但是，鈣鈦礦太陽能電池要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，依然還有很長的路要走，要解決一系列所面臨的問題： 1）穩(wěn)定性問題：鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性是其商業(yè)化應(yīng)用的主要瓶頸。鈣鈦礦材料易受環(huán)境因素影響，如水解、高溫分解、光照和氧氣作用下的分解等，導(dǎo)致電池性能下降。盡管目前鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性已達(dá)到一萬小時，但完全滿足產(chǎn)業(yè)化要求還需要一個過程。 （2）大面積制造問題：鈣鈦礦電池在小面積器件中表現(xiàn)出色，但隨著面積的放大，薄膜的均勻性降低，缺陷增多，導(dǎo)致效率和穩(wěn)定性下降。 （3）鉛毒性問題：由于鈣鈦礦材料大多含有Pb元素，會對環(huán)境有潛在影響，因此無鉛化、低毒性材料的研發(fā)也是重要的關(guān)注方向。 科技的進(jìn)步將太陽能電池以實(shí)物的形式呈現(xiàn)在我們眼前，并且成為全球能源轉(zhuǎn)型和應(yīng)對氣候變化的關(guān)鍵途徑之一。然而，應(yīng)對全球環(huán)境問題僅僅依靠高科技產(chǎn)品還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，我們需要進(jìn)一步增強(qiáng)節(jié)能減排意識，依靠我們自身和高科技的共同努力保護(hù)地球環(huán)境。 作者：石暢（物理化學(xué)博士）