低成本太阳能即将问世

未来几年里，一种大众不太熟悉的材料可能会为太阳能技术带来巨大飞跃。

这种材料被称为钙钛矿，是一种天然存在的晶体结构。实验室研究发现，钙钛矿能够吸收光，产生电荷分离，从而将太阳能转化为电能。根据 2017 年《科学》杂志的报道，钙钛矿太阳能电池的效率在几年内从个位数上升到了22.1%，快速接近传统晶体硅太阳能电池的效率，并称“有望规避碳排放并满足日益增长的能耗需求”。

钙钛矿太阳能电池的寿命问题

目前，硅半导体在太阳能电池的应用技术更为成熟，钙钛矿与之相比则更加灵活，能够以液体形式应用，可以涂在建筑物、衣物甚至窗户等物体上。更重要的是，钙钛矿制造成本更低，只是使用寿命还不理想。

“硅太阳能电池由硅晶圆制成，使用寿命为20年，这意味着他每年将降解 5%。不同于硅太阳能电池，钙钛矿被旋转涂布在表面上，类似于涂在表面上 —— 但是目前降解得更快。”

这是 HORIBA Scientific 荧光部门的首席科学家 Alex Siemiarczuk 博士的说法。他帮助研究人员了解 HORIBA 的荧光光谱仪技术，并用荧光光谱技术协助解决这些问题，以制备出更高效的钙钛矿太阳能电池。

因为钙钛矿电池不仅需要高使用寿命，还需要高效率和稳定性。

混合钙钛矿有望成就高光电转化效率

太阳能电池性能的主要衡量标准是光电转化效率，而光电转换效率与钙钛矿的光学性质紧密相连。那么调节钙钛矿的结构和组成来优化其光学性质则是提高其光电转化效率的有力手段。

为此，研究人员使用混合钙钛矿进行实验，模仿钙钛矿的物理化学结构，并在其成型过程中掺杂新的元素来提高效率和弹性。

“钙钛矿从本质上属于晶体，” Siemiarczuk 说道，“最初的钙钛矿矿物质由两种金属和三个氧原子组成。根据应用，可使用甲基铵、铅和三卤化物原子等不同元素（光伏电池常用材料）进行合成。”

钙钛矿荧光稳态和寿命测量助力研究

在太阳能电池应用中，钙钛矿层是光收集层。光收集层吸收光，并进行电荷分离、传输和电荷收集，最后在太阳能电池的电极之间产生电压。

HORIBA Scientific 荧光部门的应用科学家 Ben Yang 博士表示，为了更好地理解上述过程，提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性，部分研究人员使用 HORIBA 的模块化荧光光谱仪系统（如， Fluorolog-QM^TM 科研级荧光光谱仪 和 FluoroMax 高灵敏一体式荧光光谱仪），并结合 HORIBA-IBH 荧光寿命部件进行荧光稳态和寿命的测量。

“钙钛矿的效率很大程度上取决于电荷载流子能扩散多远，以及电子和空穴在复合前能分离多长时间（荧光寿命）。荧光寿命可以用来衡量载流子的分离寿命。我们既提供模块化荧光光谱仪系统，也提供专门的荧光寿命仪器，例如由苏格兰工厂——HORIBA IBH生产的 DeltaFlex和 DeltaPro 全自动模块化荧光寿命光谱仪。这些设备可以真实反映光收集过程和光致发光的效率，这些指标可以评价钙钛矿的功能和效率。” Yang 说道。

钙钛矿受到了基础研究和应用研究的双重关注，基础研究学者努力阐述钙钛矿的光物理性质，应用科学家们则尝试开发钙钛矿的经济价值，北卡罗来纳大学应用物理科学系教授 Jinsong Huang 博士就深耕于钙钛矿的商业化应用。

Huang 博士正致力于为产业界提供钙钛矿太阳能电池商用解决方案，他的团队通过解决稳定性、效率以及大规模快速制备等关键问题，为克服钙钛矿技术障碍提供科学支持，从而使钙钛矿太阳能电池能够以更有竞争力的价格实现大规模制备。

钙钛矿的更多应用尽可想象

除了钙钛矿的商业化应用，，Jinsong Huang 博士还研究混合钙钛矿的性质，探索钙钛矿适用于光伏的理论依据，同时也在拓展钙钛矿的其他用途。

 “除了太阳能电池，我们还进行其他研究，寻找钙钛矿不仅适用而且比现有材料表现更优秀的应用方向，” Jinsong Huang 博士说，“例如灵敏的钙钛矿超快光电探测器，以及比商用 X 射线探测器灵敏度高 1000 倍以上的钙钛矿 X 射线探测器。

Huang 使用 HORIBA Scientific 的 DeltaFlex TCSPC 荧光寿命测试系统，用载流子复合率来衡量钙钛矿的效率。“这是我们需要掌握的参数，”他说道。

钙钛矿的应用远远不止于此。由于其非线性光学特性，钙钛矿也被用于激光技术，以增强相干光源的倍频和进行较短波长激光输出。

更多的钙钛矿应用，仍需要我们努力探索。

钙钛矿在更多科学家们的努力下，表现愈发优异，令人欣慰也值得期待。虽然目前还没有走上商业化舞台，但其成本和效率竞争力已不容置疑。让我们保持关注，期待低成本太阳能电池问世的那一天早日到来。