出品：科普中国
制作：薛元彬（安阳工学院）
监制：中国科学院计算机网络信息中心
近期 ， 一篇利用离子液体提高钙钛矿太阳能电池稳定性的文章发表在了国际顶级期刊《Nature》上 。 报道指出离子液体修饰过的钙钛矿太阳能电池在70-75℃的全光谱太阳光照射下连续运行超过1800小时后 ， 最稳定的封装器件的性能仅下降了5%左右；另外 ， 器件下降到其峰值性能的80%所需的时间约是5200小时 。 该研究为制备在高强度光照条件下 ， 能长期稳定运行的太阳能电池奠定了良好的实验基础 ， 是人类向可靠的钙钛矿光电技术迈出的关键一步 。
图一：离子液体修饰的钙钛矿太阳能电池再登Nature
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1357-2#auth-14
钙钛矿太阳能电池何以成为第三代太阳能电池?
目前 ， 水电、风能、太阳能等可再生能源已成为我国能源结构中重要的组成部分 。 太阳能是最清洁、最廉价的能源形式之一 ， 因此如何将其转换成更易于使用的电能成为了当前光伏领域的研究热点 。
近几十年来 ， 各种材料的太阳能电池层出不穷 。 杂化钙钛矿材料太阳能电池（下文简称钙钛矿太阳能电池）作为光伏器件领域中的后起之秀 ， 自2009年被发现以来 ， 凭借成本低、柔性好及可大面积印刷等优点 ， 受到了人们的广泛关注 。 曾被《科学》（Science）期刊评为2013年的十大突破性科技进展之一 。 在过去的十年里 ， 关于钙钛矿电池的研究发展迅猛 ， 其光电转化效率已从初始的2.2%迅速飙升至目前的24.5% ， 接近硅基太阳能电池的水平 。 因此钙钛矿太阳能电池有望成为光伏领域这个舞台上的重头戏 。
图二：钙钛矿太阳能电池的效率发展图（图片由作者自制）
钙钛矿太阳能电池 ， 不含钙也不含钛
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 。
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） 。
图三：激子形成过程示意图（图片由作者自制）
由光照产生的激子首先被分离成为电子和空穴 ， 然后分别向阴极和阳极输运 。 带负电的自由电子经过电子传输层进入玻璃基底 ， 接着经外电路到达金属电极 。 带正电的空穴则扩散到空穴传输层 ， 最终也到达金属电极 。 在此处 ， 空穴与电子复合 ， 电流形成一个回路 ， 完成电能的运输 。
图四：钙钛矿太阳能电池的构造与运行机理示意图（图片由作者自制）
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