人类对于太阳的崇拜由来已久，并因此衍生了许多追逐光明的神话故事。现在人类“盗取天火”的工具早已不再是普罗米修斯使用的“茴香枝”，而是凝聚了当代先进科学技术的光伏电池。正在崛起的钙钛矿太阳能电池，已经吹响了光伏3.0时代的号角。那么，什么是钙钛矿太阳能电池？“钙钛矿”又是何方“神圣”？“钙钛矿”是如何变身光伏“明星”的？

钙钛矿的发现

1839年，法国科学家埃德蒙·贝克雷尔发现光照能在半导体材料的不同部位产生电位差。这种现象后来被称为“光伏效应”。这一发现为太阳能电池的诞生奠定了理论基础。同年，钙钛矿的发现为钙钛矿太阳能电池的崛起提供了关键材料基础。德国地质学家古斯塔夫·罗斯在乌拉尔山脉发现了钙钛矿这种天然矿物，并以俄罗斯矿物学家列夫·佩洛夫斯基的名字为其命名。1883年，世界上第一块硒上覆薄金的半导体/金属结太阳能电池诞生，虽然转换效率只有1%，但标志着第一块光伏电池的诞生。

十年逆袭，“钙钛矿”成“新宠”

说起光伏电池，也许你首先想到的是晶硅电池。1954年，美国贝尔实验室推出了第一块晶体硅太阳能电池，开启了晶硅电池的新纪元。20世纪70年代以来，晶硅电池技术不断取得新突破，电池效率得以显著提高，特别是能源危机与环境压力的双重推动，使得晶硅电池在光伏市场中的占比超过了90%。目前，晶硅电池已成为技术最成熟、应用最广泛的光伏电池，并且将在未来相当长的时间内占据主导地位。然而在“晶硅一统天下”的太阳能时代，钙钛矿太阳能电池却能成功逆袭。

钙钛矿涉足光伏领域只是近十多年的事情。21世纪初，钙钛矿太阳能电池启动基础研究，但仍处于实验室研究阶段。2009年，日本科学家宫坂力将碘化铅甲胺和溴化铅甲胺应用于染料敏化太阳能电池，获得了最高3.8%的光电转化效率。

2013年，钙钛矿太阳能电池因其高效率、低成本和易制造而入选《科学》杂志年度十大科技突破，标志着钙钛矿太阳能电池技术取得重大突破，并引起了全球科学界的广泛关注。

历经十多年的持续研发，钙钛矿太阳能电池成功逆袭，成为太阳能领域的“新宠”。自此，钙钛矿太阳能电池研发进程进入快车道。一方面，钙钛矿材料配方不断优化，电池效率不断提高，稳定性能不断完善；另一方面，钙钛矿太阳能电池产业化步伐加快，并成为光伏领域的研究热点。

此“钙钛矿”，非彼钙钛矿

其实，钙钛矿太阳能电池中的“钙钛矿”，与天然矿物中的钙钛矿并不是一个概念。天然矿物中的钙钛矿是一种由无机物钛酸钙（CaTiO3）组成的矿物。而钙钛矿太阳能电池中的“钙钛矿”并不是天然存在的矿物，既不含钙，也不含钛……

那么，光伏领域所使用的“钙钛矿”到底是什么物质呢？在光伏领域，“钙钛矿”材料指的是一类与天然钙钛矿晶体结构类似的人工设计制造的新型材料。

看来，光伏电池青睐钙钛矿材料，根本原因在于其特殊的晶体结构。钙钛矿材料的结构通式为“ABX3”，这三种元素分别占据不同的晶格位置，从而赋予其独特的电子和光学特性。其中的A位一般为有机阳离子，也可以为无机阳离子，通常为一价阳离子；B位通常为二价金属离子；X位主要为卤素阴离子。

为了定制能够满足不同应用场合的钙钛矿材料，我们可以通过调整A、B、X位的元素种类及其组合来实现。

当然，设计制备高性能钙钛矿材料并非易事，必须满足以下条件：选择合适的A位和B位元素，通过有机分子的引入来确定钙钛矿材料的结构，选择合适的合成方法来确保钙钛矿材料的质量和性能，对合成后的钙钛矿材料进行表征和分析以确认其结构和性能。

钙钛矿“脱颖而出”的底气

在“硅光文明”主导的太阳能电池时代，钙钛矿是如何“脱颖而出”的？

先来说说晶硅电池在发展过程中所遭遇的瓶颈。就晶硅电池的技术品质而言，光电转换效率向来是其立足的“金标准”。晶硅电池走向辉煌靠的是什么？无非是光电转换效率从不到1%到26.7%的跃升。未来，晶硅电池光电转换效率还有多大的提升空间？据悉，晶硅电池光电转换效率的理论极限为29.43%，也就是说，进一步提升的空间已经非常有限。当然，晶硅电池的成本问题也是需要考虑的因素。首先，晶硅电池的生产能耗比较高，生产工艺也比较复杂，自然成本就相对较高。其次，硅的纯度越高，其成本就越高。另外，晶硅电池的生产对环境也会产生一定的影响。

再来说说钙钛矿“脱颖而出”的底气。

钙钛矿所具有的独特结构，赋予其出类拔萃的光电性能。短短十多年时间，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率就从3.8%跃升至26%，足见其性能之优、潜力之大。钙钛矿太阳能电池的单层理论效率可达31%，而双层或三层叠加结构的理论效率可超过45%。这说明钙钛矿太阳能电池的光电转换效率在能源转换方面具有显著优势，并且还有比较大的提升空间。

钙钛矿太阳能电池能够“脱颖而出”，除了在光电转换效率方面的优势之外，还在生产成本、环保性能、可塑性能等方面具有明显优势。

与传统的硅基太阳能电池相比，钙钛矿太阳能电池在生产成本方面具有明显优势：钙钛矿材料的生产相对简单，所需原材料来源比较丰富，且对其纯度要求不高。

从环保的角度来看，钙钛矿太阳能电池的生产过程环保性能较好，使用过程中不会产生有害气体排放，对环境的影响比较小。

钙钛矿材料的独特结构，赋予其很强的塑性变形能力。因此，可以把钙钛矿太阳能电池做成可弯曲的轻薄结构，以适应各种曲面以及不规则的表面，如建筑外墙、汽车车顶等。

除了应用于传统的光伏发电和分布式能源系统之外，钙钛矿太阳能电池还可以应用于光伏建筑一体化、可穿戴电子设备等诸多领域，应用前景十分广阔。

光伏“明星”，如何盗取“天火”

钙钛矿太阳能电池是利用钙钛矿材料作为吸光层的太阳能电池。我们通常把只包含一个PN结的钙钛矿太阳能电池称为单结太阳能电池，这是钙钛矿太阳能电池的一种基础形式。

叠层钙钛矿太阳能电池则是通过多层结构的堆叠来提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。作为一种新型的太阳能电池技术，叠层钙钛矿太阳能电池可以将两种或多种不同带隙的钙钛矿材料叠加在一起，以形成能够吸收更宽太阳光谱的“串联”电池。

钙钛矿太阳能电池有何独特的结构？我们以单结钙钛矿太阳能电池为例来了解其基本构成，主要包括透明导电基底、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和金属电极等器件。

透明导电基底透明导电基底（TCO）通常使用掺氟的氧化锡或掺铟的氧化锡等材料制成，其在钙钛矿太阳能电池中扮演着极其重要的角色。作为透明电极，TCO主要负责收集和传输由钙钛矿层产生的电子。

电子传输层电子传输层在钙钛矿太阳能电池中负责高效传输电子并阻挡空穴，是提升电池性能的关键因素。电子传输层常用的材料包括二氧化钛、氧化锌等。

钙钛矿吸光层钙钛矿吸光层是电池的核心器件，其性能直接影响电池的效率和稳定性。钙钛矿吸光层负责吸收太阳光并将其转化为电能。由于钙钛矿材料的带隙宽度适中，能够吸收大部分太阳光谱，因而可以实现高效率的光电转换。

空穴传输层空穴传输层位于钙钛矿层和金属电极之间，是钙钛矿太阳能电池的关键组件，负责有效提取和传输光生空穴，提高电池的光电转换效率。

金属电极金属电极位于电池的最后一层，主要负责收集和传输电荷并连接外电路，确保电流的有效输出。金属电极通常使用金、银或铝材料制成。

钙钛矿太阳能电池通过其独特的结构和高效的光电转换机制，可以有效地将光能转换为电能。需要说明的是，钙钛矿材料的带隙与吸收光的波长之间存在着密切的关系。钙钛矿材料的带隙是指价带和导带之间的能量差，它决定了材料能够吸收光的最大波长。

在光伏领域，宽带隙钙钛矿材料通常用于吸收高能量的光子，而窄带隙钙钛矿材料则用于吸收低能量的光子。通过改变钙钛矿材料的化学组分可以调节材料的带隙，从而实现对太阳光谱的更广泛吸收，以此来提高光伏电池的光电转换效率。

同晶硅电池一样，单结钙钛矿太阳能电池也是基于光电效应而工作的。具体来讲，当太阳光照射到钙钛矿太阳能电池上，太阳光光子能量大于钙钛矿材料的带隙时，钙钛矿层吸收光子而形成“电子—空穴对”。电子传输层将分离出来的电子传输到负极，空穴传输层将与电子分离的空穴传输到正极；在外电路形成的回路中，由于电荷的定向移动而产生电流。这就是钙钛矿太阳能电池把阳光转化为电能的基本过程。

光伏族谱，“钙钛矿”的“宗亲”们

光伏电池的诞生开启了人类利用太阳能发电的新纪元，这是人类文明史上的一件大事。回溯光伏电池的发展历史，不难发现贯穿其中的创新脉络。

第一代光伏电池

诞生于20世纪50年代的晶硅太阳能电池，被认为是光伏技术的先驱。作为第一代光伏电池的代表，晶硅电池主要分为单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池三大类。

单晶硅具有准金属的物理性质，纯度要求达到99.9999％以上，可用于制造半导体器件和太阳能电池等。单晶硅太阳能电池以光电转换效率高而在市场上占据主导地位。

多晶硅是一种由许多不同大小的单晶硅颗粒经过重新熔化结晶而形成的材料。虽然多晶硅的纯度略低于单晶硅，但是其制造成本相对较低，并且具有更好的耐久性，因此，多晶硅太阳能电池被广泛应用于众多领域。

非晶硅是单质硅的一种形态，也被称为无定形硅。非晶硅材料生产成本较低，易于大规模生产。非晶硅太阳能电池被广泛应用于光伏建筑一体化、大规模光伏发电站以及太阳能照明光源等。

第二代光伏电池

诞生于20世纪70年代的薄膜太阳能电池，被认为是第二代光伏电池的代表。薄膜太阳能电池最初以成本较低和理论转换效率较高而受到关注。第二代光伏电池主要包括铜铟镓硒、碲化镉、砷化镓等薄膜太阳能电池。

铜铟镓硒薄膜太阳能电池具有效率高、成本低、污染小、稳定性强等特点，成本约为晶硅电池的三分之一，光电转换效率接近于晶硅电池。铜铟镓硒薄膜太阳能电池的弱光性能好，适用于地面光伏发电系统，尤其是在光照条件不佳的地区表现突出。

碲化镉薄膜太阳能电池的理论光电转换效率约为28%，具有成本较低、轻量化以及弱光性能好的特性。碲化镉薄膜太阳能电池在空间应用中具有独特的优势，并适用于地面光伏发电系统以及光照条件不佳的环境中的发电应用。在碲化镉薄膜太阳能电池中，镉元素以稳定化合物形式存在，但仍然具有一定的毒性，回收时需要进行妥善处理。

砷化镓薄膜太阳能电池以高效率、耐温性好、稳定性好和弱光性能好等优势，在太阳能电池领域占据重要地位。它不仅适用于地面光伏发电系统以及光照条件不佳的环境中的发电应用，还被用于空间探测等特殊领域，但其面临成本高昂、原料稀缺以及毒性问题的挑战。

第三代光伏电池

起源于20世纪90年代的第三代光伏电池，力求在新材料、新结构、高效率以及稳定性方面有所突破。第三代光伏电池主要包括有机太阳能电池、量子点敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池等。

有机太阳能电池的核心是用有机材料作为光吸收层，具有轻质、柔性、可弯曲等优势。因此，有机太阳能电池非常适用于便携式电子设备以及可穿戴电子设备等。有机太阳能电池通常由透明导电玻璃、有机半导体材料、金属电极等组成，但它需要在光电转换效率、稳定性能以及生产成本等方面取得新突破，才能在未来的太阳能电池领域占有一席之地。

量子点敏化太阳能电池是一种利用无机半导体量子点作为吸光材料的电池。所谓量子点，指的是直径小于10纳米的半导体纳米晶体。其设计原理是利用量子点的尺寸效应来调整其光电特性，以实现更高的光电转换效率。目前，量子点敏化太阳能电池仍然面临一些挑战和限制。未来，它有望在清洁能源领域发挥更大作用，并将应用于柔性电子产品、加密量子通信等尖端领域。

“钙钛矿”时代，离我们还有多远

第三代光伏电池代表了光伏技术的最前沿，有望在未来的光伏产业中发挥重要作用。钙钛矿太阳能电池以其优异的光吸收能力和电荷传输特性，在光电转换效率方面具有明显的优势。那么，钙钛矿太阳能电池大规模应用的新时代离我们还有多远？

我国“十四五”规划明确将高效钙钛矿电池制备与产业化列入重点任务，从而为钙钛矿电池的发展提供了强有力的政策支持。

我国在钙钛矿太阳能电池领域取得了显著的成就，并已达到国际先进水平。如杨上峰教授团队成功实现了单结钙钛矿太阳能电池26.1%的光电转换效率。徐集贤教授团队创造的钙钛矿电池稳态效率达到26.7%，刷新了世界纪录。

目前第三代光伏电池仍处于研发阶段以及商业化应用的初级阶段，主要制备的是小面积钙钛矿器件。未来大规模的商业化应用还有待技术、资金、产业等方面的成熟和突破。解决钙钛矿太阳能电池大面积制备的问题，无疑是畅通商业化应用的重要一环。

钙钛矿太阳能电池的稳定性问题也是制约其发展的重要因素之一。钙钛矿材料对湿度、氧气、温度等环境因素十分敏感，这些因素容易让材料的结构和性能发生变化，导致电池的稳定性受到影响。通过优化钙钛矿材料的组成和结构、优化界面结构以及采用先进的封装技术等措施，可以提高钙钛矿太阳能电池的稳定性。

钙钛矿太阳能电池的“脱颖而出”，足以说明它的强大生命力。到2030年，我国钙钛矿组件产能预计将达到142吉瓦，从而推动钙钛矿电池技术的产业化进程，并有望在清洁能源领域发挥极其重要的作用。