钙钛矿太阳电池的工作原理，钙钛矿太阳能电池最新研究进展

彭永元健

由于大气中温室气体含量显着增加，近年来全球异常和极端天气事件更加频繁地发生。今年夏天，日本各地出现异常天气，气温持续超过44，实现二氧化碳目标变得愈发紧迫。中国建筑节能协会公布的《中国建筑能耗研究报告（2020）》显示，2018年国内建筑全过程能耗总量占全国能耗总量的46.5%，2018年建筑运营阶段能耗占比。占全国能源消费总量的21.7%。在不影响建筑使用舒适度的前提下，降低建筑运营过程中的能耗，是建材行业实现“双碳”目标必须积极应对的关键挑战之一。光伏建筑一体化将光伏发电与建筑有机地结合在一起，使得在不改变建筑主要功能的情况下，通过主动生产能源来降低建筑的能耗成为可能。尽管这一概念早已提出，但新型钙钛矿太阳能电池的出现，为大规模部署太阳能建筑一体化提供了新的机遇。什么是钙钛矿太阳能电池？早在2009年，日本横滨大学的Chikara Miyasaka教授就利用具有钙钛矿晶体结构的CHNHPbBr材料作为染料敏化太阳能电池中的光吸收剂，实现了3.8%的光电转换效率。 2013年前后，世界各地的科学家发现，采用薄膜太阳能电池的堆叠结构代替染料敏化太阳能电池的元件结构，可以更好地利用材料的特性，实现高光电转换.转换效率和稳定性。随后，更多具有类似结构的材料被挖掘出来。如图所示，它们有几个共同点：化学式为ABX，晶体结构为钙钛矿晶体结构。迄今为止，已有数十种钙钛矿材料可用于钙钛矿太阳能电池，钙钛矿太阳能电池的名字来源于一种具有钙钛矿晶体结构的ABX型卤化物。该材料充当吸收层。目前，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已达到25.7%（器件面积：0.095 cm2），与主流晶硅太阳能电池有显着差异。与建筑物集成的不同形式太阳能产品与建筑物的集成有多种形式。一是屋顶安装光伏产品，二是用光伏产品替代墙面装饰，三是用光伏产品替代现有光伏产品。窗户和幕墙。这三种使用场景各有特点，导致光伏产品的需求相应增加。屋顶电站：由于建筑物屋顶面积有限，安装使用成本较高，高发电量的太阳能发电产品是增加发电收入的最佳选择。根据光伏行业经典的Shockley-Quesser理论，单个太阳能电池的光伏转换效率极限约为33%，但堆叠式太阳能电池可以克服这一限制，实现更高的光伏转换效率。由于钙钛矿材料具有宽可调的带隙，可以与晶体硅、CIGS和CdTe等传统光伏材料结合，生产具有高光伏转换效率的叠层太阳能电池。目前晶体硅/钙钛矿串联太阳能电池的光电转换效率记录为31.3%（器件面积1.167 cm2）。此外，钙钛矿/钙钛矿串联太阳能电池也取得了不错的成绩，目前的世界纪录为28%（器件面积0.0495 cm2）。当谈到屋顶发电厂时，钙钛矿太阳能电池已经证明了它们的优势。建筑物外墙：外墙不仅满足建筑物的基本安全要求，而且还起到美观的作用。立面太阳辐射强度易受地理环境和季节气候影响，发电量一般较小。

安装太阳能发电产品时，要求与现有外墙风格一致，且成本较低。钙钛矿太阳能电池的制造工艺相对简单，颜色可调。多色太阳能电池可以在各种常见的建筑材料上制造，例如玻璃、聚合物、钢材，甚至瓷砖。可与现有太阳能电池有机集成。可以在不显着改变建筑物外观或成本的情况下实现太阳能发电与建筑物的有机融合。窗户和幕墙：建筑中窗户和幕墙的主要功能是采光，根据相关国家标准和地方标准，用于窗户和采光功能的幕墙玻璃在可见光范围内的平均透过率必须满足40%。一些照明要求较高的部位还要求平均透光率为60%（《公共建筑节能设计标准》 GB 50189-2015）。传统光伏产品的带隙通常为1.0至1.4eV，完全吸收所有可见光。为了保证透光能力，常见的是用刮擦等方法来实现“透光”，使用性类似于纱门或蜂窝状葡萄干烘干室。通过调整带隙，钙钛矿材料可以选择性地吸收和利用特定波段的光。大多数传统太阳能产品不具备此功能。因此，可以将带隙较宽的钙钛矿材料沉积在玻璃上形成光伏层，而宽带隙材料只能吸收和利用太阳光中蓝紫波段的特性，可以满足您的照明需求，同时达到照明的目的。太阳能发电。改善舒适度和性爱。许多基本问题已得到解决一般来说，建筑材料需要在室外条件下保持数十年的稳定性。建筑领域使用的钙钛矿太阳能电池也必须满足这一基本要求。最初，钙钛矿太阳能电池的寿命只有几分钟。经过多年的研究，已经从根本上了解了影响其使用寿命的主要因素。一般认为，钙钛矿材料中水或水蒸气、氧、离子的迁移和相变是钙钛矿材料损伤的主要原因。基于这一认识，多个实验室报道称钙钛矿太阳能电池可以在光照、高温、高湿等条件下长时间稳定运行。我国上海交通大学、华中科技大学研究团队先后报道了可在光照条件下长期稳定运行5000小时以上、13000小时以上的钙钛矿太阳能电池技术。当然，迄今为止报道的稳定性结果与建筑物所需的数十年稳定工作之间仍然存在一定差距，但过去十年的技术进步使钙钛矿太阳能电池的稳定性也证明并非不可逾越。过去的十年是钙钛矿太阳能电池快速发展的十年，许多基础问题得到了圆满解决。在这些解决的基础性问题中，中国科学家做出了许多突出贡献。在产业化技术方面，中国企业也不甘落后，光纤纳米光电、协鑫纳米、仁硕光电、捷电光电、万都太阳能、耀能科技等多家企业均已开发出钙钛矿太阳能产品和电池。产品或其产业化路线图。随着“双碳”目标的演进，建筑行业也将不得不面对“零”碳建筑的需求，成熟的钙钛矿太阳能电池解决方案将为建筑行业提供一种全新的新型建筑材料，将减少运营成本（作者：彭勇，武汉理工大学新材料与复合材料技术国家重点实验室，袁健，武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室）本文首发于《中国建材报》， 7 页，9 月出版。 19. 编辑：丁涛校对：何新龙监修：韩峰峰