2009 年以来，铅卤钙钛矿材料最吸引人的就是以它为吸光层组装的太阳能电池有着惊人的效率。封面图片是一张简版的各类型太阳能电池的实验室能量转换效率（下称效率）发展图，每年美国可再生能源国家实验室（National Renewable Energy Lab, NREL）会整理当年最新的研究成果发布完整图。如果单单看每条曲线的斜率，位于右上的钙钛矿（黑线）毫无疑问表现出来非凡的研究前景。它用5年时间完成的效率进展，大概是碲化镉（CdTe）和铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池用30, 40 年才完成的。
要理解为什么钙钛矿这么优秀这个问题，首先得先明白太阳能电池的原理是什么。
简单来说，我们需要一个半导体材料（比如钙钛矿）作为吸光层，当一个具有足够能量的光子（）照射在太阳能电池上，光子会激发在半导体价带（Valence Band）中的电子（
）进入导带（Conduction Band）, 在原来价带的位置上留下一个空穴（
），而这一对原来在一起的电子和空穴分别各自通过电子传输层（Electron Transporting Layer, ETL）和空穴传输层（Hole Transporting Layer, HTL），当它们在外电路（External Circuit）相遇的时候（上图黑线），就产生了电流，而这个就是太阳能电池光变电的基本原理。
说回钙钛矿材料，它所具有的优点，几乎对太阳能电池产生电流的每一步都有帮助。
1）合适的能隙（Bandgap）
根据肖克利-奎伊瑟极限 （Shockley–Queisser Limit），单结太阳能电池的效率存在极限值，大约为33 %，这个效率值对应的能隙大约为1.34 eV，而钙钛矿（ ）是1.5 eV，与这个数值十分接近。
2）吸光系数（Optical Absorption Coefficient）很高
这代表同样100个光子打进来，对于吸光层一样厚的不同材料，钙钛矿相比其它材料可以捕获更多的光子，更多的光子被捕获，最终将意味着有可能会产生更多的电流。
3）较低的电子空穴对结合能（Exciton Bind Energy）
当光子被钙钛矿捕获时，并不是直接就产生了分开的电子和空穴，而是会先产生一个激子（Exciton），激子就是电子空穴对。激子的结合能决定了电子和空穴分离的难易程度，这个数值，我们希望尽可能的低。对于一些激子结合能很高的材料，电子和空穴很难彼此分离，而不能轻易分离的电子空穴对会最终影响太阳能电池的最终效率。
4）均衡的载流子迁移率（Carrier Mobility）
载流子就是电子和空穴。当材料内部产生了可以自由移动的电子和空穴，下一步就是如何让它们向着特定的方向移动，最终在外电路相遇。可是当材料内部的电子迁移率和空穴迁移率相差过大，比如说电子迁移率很高，空穴却几乎不动，这样的材料并不会产生什么电流。理想状态下，我们希望电子迁移率（Electron Mobility）和空穴迁移率（Hole Mobility）数值接近，但是这不可能实现，我自己试验的经历是，如果空穴迁移率有电子迁移率的1/10，其实最终效果也会不错了。
5）较长的光致载流子寿命（Carrier Life-time）
在真实的光照下，瞬间产生的激子，以及激子产生的自由电子和空穴在材料内部的数量是很惊人了。它们很容易重新结合，而并不是按照我们的设计跑向不同的传输层。对于钙钛矿材料而言，它的载流子寿命较长，这意味着相比于其它材料中电子空穴倾向于重新结合，钙钛矿产生的电子和空穴有更大的可能性跑向对的方向，最终转化为电流。
当然钙钛矿材料的优点还不止这些，这只是我个人认为很重要的5点。至于怎么制作一个钙钛矿的太阳能薄膜电池，我推荐Ossila 的这个视频，他们所做的是薄膜电池。对于一个在手套箱外组装的太阳能电池，具有10-11 % 的效率已经是很不错了。
由于我主要的工作是关于钙钛矿材料的稳定性研究，所以我平常看文献时，会集中于关注他们材料或者设备（不仅限于太阳能电池）的降解机理（Degradation Mechanism）而不是效率那个数字。有了对降解机理的研究，我们就可以想出对策。我去年发表的文章就是根据对 量子点的降解机理想出了对策，用三辛基膦处理合成出来的量子点，提升了它在溶液中的稳定性。
对于薄膜钙钛矿太阳能电池，以 材料为例，它的稳定性与湿度和温度有很大的关系。
温度对钙钛矿影响的研究的现在有很大的进展（因为更容易研究！）， 在55度左右会发生相变，太阳能面板普遍安装的地方都是戈壁和沙漠，昼夜温差大，试想白天黑夜，钙钛矿不停的发生相变循环，整个太阳能板的效率和稳定性都会发生很大的影响。截止目前，最好的解决办法是对A 位和X 位进行一定量的替换，比如Henry Snaith 前年的Science 。他们组设计了一款混搭钙钛矿
, 效率可以稳定达到>14%。之后，别的组发现类似的混搭材料，晶相对操作温度敏感度会降低，操作温度可以从室温到220度，可以说在这一点上具备了商用的前景。（DOI: 10.1021/acs.jpclett.5b00380）
湿度的研究分为两部分，一部分是组装时湿度的影响，一部分是组装后湿度的影响。截止目前我觉得很有意思的两个研究都来自英国，一个是牛津Snaith 组和一个是帝国理工Barnes 组。
Eperon (Snaith) 的这篇文章关注于制作 材料过程中湿度的影响，令人意外的是，在特定水蒸气的影响之下，钙钛矿器材的表现甚至会更好。他们提出的假设是湿度会让材料“部分溶解”，从而“自我修复”，产生更好的薄膜。但是长久来看暴露在湿气中还是会损毁材料。
Leguy (Barnes) 这篇文章就更有意思了，文中他提出了两种不同的降解路线，这两种降解路线根据水分子会不会在钙钛矿薄膜表面留下而不同，在特定的情况下即使设备失活了也可以复原，但是这个复活的过程需要设备被干燥的氮气吹几个小时，所以就算可以复活，意义也不是特别大。总之，水对于钙钛矿，并不是个好东西。无水的组装和封装环境对于钙钛矿材料十分重要。手套箱或者干燥箱是你想做钙钛矿太阳能电池研究的一个必需品。
如果考虑实际应用，我个人认为这种A，X 位点混搭（Mixed Cations/Halides）会是未来发展的大趋势。A 位点阳离子的合理选择可以调整钙钛矿的晶相和结构稳定性（这一部分我之后会单独开一个来写），而X 位点卤素的选择可以改变钙钛矿的能隙大小以及价带导带的相对位置（这一部分我也会单独开一个来写）。这两点，前者对所有钙钛矿太阳能电池都有指导意义，而第二点则对多结太阳能电池的构建十分重要。另外，在这种混搭的钙钛矿材料的制作和封装过程中，目前实验室的办法是在手套箱或者干燥箱中，使用前驱体的N，N-二甲基甲酰胺（DMF）等溶液的来进行悬涂或者喷射之后加热成膜。最近，我在物理系的合作伙伴被接受的文章中就提及了使用特定溶剂的蒸汽来缓慢溶解并重组钙钛矿薄膜，从而提升膜质量的方法，类似于上面提到的水对钙钛矿的积极影响，但是并没有水的负面影响。我想这两点的结合未来可以制造趋近于完美结构和完美质量的吸光层。但是之后的器材封装，和等比例放大如何实现，那可能就是工程学家们需要思考的问题了。
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References:
<i>In retrospect</i>: Twenty-five years of low-cost solar cellsPerovskite Solar Cells: The Birth of a New Era in PhotovoltaicsEfficient charge extraction and slow recombination in organic-inorganic perovskites capped with semiconducting single-walled carbon nanotubesTowards stable and commercially available perovskite solar cellsA mixed-cation lead mixed-halide perovskite absorber for tandem solar cellsReversible Hydration of CH3NH3PbI3 in Films, Single Crystals, and Solar CellsThe Importance of Moisture in Hybrid Lead Halide Perovskite Thin Film FabricationEnergy Yield Limits for Single-Junction Solar Cells
来源：知乎 www.zhihu.com
作者：ChaselLand
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