本文转载自科技大观园，原文为《新好材料钙钛矿，改造太阳能电池》作者/科技大观园特约编辑|郭亚欣审核/林伟芳教授随着现代科技的发展，人类对能源的需求逐渐增加，因此科学家们一直在努力寻找合适的替代能源。最具吸引力的能源之一是取之不尽的太阳能，因此科学家们一直在努力开发一种理想的太阳能电池，它可以尽可能地将太阳的能量转化为电能，并长期储存。
一直以来，最常用的半导体材料——硅晶一直是太阳能电池的主要材料。然而，自2009年以来，一种特殊的有机金属卤化物材料“钙钛矿”引起了科学家的注意。“钙钛矿”原指CaTiO3(结构可表示为ABX3)，是钙和钛的氧化物。因为有机金属卤化物的结构与钙钛矿ABX3相同，所以统称为钙钛矿(见图1)。用于太阳能电池的钙钛矿在吸收光方面具有高效率。吸收光子后，可以迅速分离成电子和空穴，传输到电极产生电流。这种高效率让科学家思考，为什么不用钙钛矿做太阳能电池呢？
图一。钙钛矿晶体结构示意图。用作太阳能电池的钙钛矿通常是有机金属卤化物。(图/林伟芳王延琪)台湾省立大学材料科学与工程系教授林伟芳，研究领域一直以高分子材料为主，也研究过用有机材料制作太阳能电池。钙钛矿的出现很快引起了林卫方的注意。“钙钛矿是一种可怕的材料。谈起钙钛矿，林伟方透露着自己的兴奋，因为相比传统的硅晶体，用钙钛矿制作太阳能电池的工艺要简单得多！
製作太阳能电池，竟和刷油漆一样简单
首先，为了减少晶格中的缺陷数量，硅晶体必须经过900左右的高温长时间处理，然后采用半导体高真空高温工艺制造二极管太阳能电池，工艺繁琐，要求严格。而钙钛矿太阳能电池是以溶液镀膜的形式制作的，所以一般环境下都可以制作，不需要那么高的温度和真空环境。
钙钛矿太阳能电池的结构如图2所示。制造时，每一层只需要简单的涂层，然后用红外线快速干燥长晶体，干燥时间甚至不到一分钟。林伟芳描述：“整个过程就像画画一样简单。而且由于钙钛矿太阳能电池的制作就像绘画一样，与硅晶体相比，钙钛矿更容易制作大面积太阳能电池，甚至可以涂在各种衬底上制作柔性多彩的太阳能电池，应用更加广泛。
2.钙钛矿太阳能电池结构示意图。(图/王延琪林伟方)不过林伟方也表示，目前钙钛矿的使用寿命比硅晶短很多。硅晶体太阳能电池一般被认为有30年左右的使用寿命，但钙钛矿的结构只能维持10年左右。这是因为在钙钛矿的晶体结构中，ABX3的组分只是简单的堆叠在一起，相互配合[注2]，并不是通过共价键结合的。如果结合不够牢固，它们很容易被破坏。林卫方的团队还试图通过添加不同的离子来增加钙钛矿的稳定性和延长使用寿命。
钙钛矿与硅晶的合作无间
林伟方强调：“我们对太阳能电池的期望不仅仅是大面积、长寿命，更重要的是高转换效率。近年来，在林卫方团队和世界各国科学家的努力下，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经赶上了硅太阳能电池，约为20-25%。但是钙钛矿和硅晶并不是对立的角色。包括林卫方在内的许多科学家都在试图让这两种材料“合作”——。他们把钙钛矿和硅晶堆叠起来，实现更高的光电转换效率！
钙钛矿和硅晶体对照表。(图/何廷毅)这是因为钙钛矿可以吸收转换后的光波波段，与硅晶体不同。钙钛矿主要吸收能量较高的短波波段，而硅晶体主要吸收能量较低的长波波段。因此，如果太阳光相继穿透钙钛矿太阳能电池和硅晶体太阳能电池，就可以更高效地利用不同波长的太阳光。
在层压的实践中，一些研究团队在制作太阳能电池时改变了制造工艺，尝试用钙钛矿层压硅晶体。而林伟方与联合可再生能源公司合作，独立制作了两种太阳能电池，只是将钙钛矿太阳能电池的电极转化为透明材料，然后直接机械堆叠。林伟方解释道，“这样做的好处是可以维持现有的硅太阳能电池工艺，简单的钙钛矿太阳能电池工艺是现阶段最有前景的技术。而且钙钛矿太阳能电池现在还是比较容易损坏的。如果它首先损坏，我们可以用新的来替换钙钛矿太阳能电池。」
图3。钙钛矿太阳能电池和硅太阳能电池的堆叠可以增加光电转换效率。(图/林伟芳、吴廷慈)
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谈起这几年钙钛矿的兴起，林唯芳认为这是非常有希望的一种材料！在这几年的积极努力下，林唯芳不但在钙钛矿太阳能电池的研究上有进展，还为技术的产业化努力，鼓励毕业同学廖学中与许哲溥，创立前创科技公司，专精于钙钛矿太阳能电池材料的製造和生产，并和台大机械系的黄秉钧教授、亿尚精密机械公司合作，共同研发了专门涂布製作钙钛矿太阳能电池的机器（如图 4）。另外也和生产硅晶太阳能电池的联合再生公司合作，发展大面积高效率层叠太阳能电池，形成了上中下游完全自主整合的一条鞭生产链。
林唯芳说：「这对我们台湾的产业界也带来了贡献，虽然我是做学术研究的，但能帮助到台湾的产业，我也觉得很开心。」而钙钛矿这个「大自然的礼物」，将为太阳能以及人类生活带来的改变，也值得我们期待。
备注
- 製作有结晶的钙钛矿薄膜。
- 配位键的键结能量比共价键低。
- 台湾杰出女科学家系列专访，持续更新中！
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