出品：科普中國

作者：石暢（物理化學博士）

監制：中國科普博覽

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當我們漫步在鄉村小道時，屋頂上一片片藍色玻璃映入眼簾，道旁的路燈也似乎戴上了玻璃帽子。這些神秘的“藍色玻璃”究竟是何物？它們又扮演著怎樣的角色？

農村屋頂上的“藍色玻璃”

（圖片來源：veer圖庫）

“藍色玻璃”竟然可以發電？

其實，這些被安裝在屋頂和路燈上的藍色玻璃是太陽能電池板，是太陽能發電系統的核心組成部分。在光照充足的白天，這些電池板將光能轉換為電能，為我們的生活提供清潔、可再生的能源。太陽能電池板為何如此神奇，為什么它能夠將太陽能捕捉并轉化成電能呢？

太陽能電池路燈

（圖片來源：veer圖庫）

太陽能電池將光轉化為電的能力與光電效應有關。光電效應是指光照射到某些物質（通常是金屬或半導體）表面時，物質中的電子獲得足夠的能量，從物質表面逸出的現象。光照條件下，太陽能電池可以吸收光子，當光子的能量超過半導體電子逃逸能量時，電子就會發生躍遷，產生電能。什么材料能“擔此大任”呢？

地球上含量第二多的元素：“藍色玻璃”的核心原料

硅是地球上含量第二多的元素，因其具有合適的帶隙（即電子從價帶躍遷到導帶所需的最小能量），能夠充分地吸收可見光，是目前商業化太陽能電池中使用最多的半導體材料。

半導體材料：硅

（圖片來源：veer圖庫）

我們平時常見的“藍色玻璃”大多是多晶硅太陽能電池板，其主要原料是多晶硅。多晶硅是單質硅的一種形態，由不同晶面取向的晶粒結晶而成。多晶硅太陽能電池板的轉換效率一般為15%-18%，具有成本低的優勢，在日常生活中應用較多。

屋頂上的太陽能電池

（圖片來源：veer圖庫）

如果仔細觀察不難發現，太陽能電池板還有深藍色或黑色，其實這類太陽能電池板也是以硅為原料，但主要用的是單晶硅。單晶硅由晶面取向相同的晶粒結晶而成，制備工藝更加復雜，成本也比多晶硅要高，但是轉換效率可達20%，多用于航空航天領域。

目前，雖然硅基太陽能電池在生活中已經得到了廣泛應用，但是單質硅的帶隙固定，吸收太陽光的光譜范圍有限，導致太陽能電池的光電轉換效率較低。

然而，在硅之外，還有一種半導體材料，可以解決這些問題！

這種半導體材料，帶隙可調，還可以疊加使用

鈣鈦礦是一種具有獨特晶體結構的材料，最初是在天然礦石中被發現，現在泛指一類具有ABX3結構的化合物，其中A通常是有機陽離子，B是金屬離子，X是鹵素陰離子。這種結構賦予了鈣鈦礦材料一系列優異的光電特性，使其在太陽能電池領域展示出巨大的應用潛力。

鈣鈦礦太陽能電池

（圖片來源：veer圖庫）

鈣鈦礦材料可以通過改變材料的組成來調整帶隙，進而調控其吸收光的波長范圍，最大程度地提高對太陽光的利用效率。正是由于鈣鈦礦材料帶隙可調的特點，在構建太陽能電池時，可以將不同帶隙的鈣鈦礦材料或者鈣鈦礦材料與硅基材料組成疊層結構，提高整體的光吸收效率。此外，鈣鈦礦材料可以通過溶液法等濕法工藝在低溫下制備，制備成本也較低。

那么，有這么好的材料，是不是就可以“高枕無憂”了？事實并非如此。鈣鈦礦太陽能電池想要實現商業化應用，還必須要解決大面積制備時，因表面不均勻而導致的性能降低的問題。

大尺寸全鈣鈦礦太陽能電池迎來新突破！

目前，鈣鈦礦太陽能電池在0.1平方厘米的活性面積已經實現了高的光電轉換效率（大于28%），超過了絕大多數的硅基太陽能電池。但是，由于大面積鈣鈦礦層不均勻等問題，大于1平方厘米的鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率還較低（26%左右），制約了疊層鈣鈦礦太陽能電池的產業化進程。

2024年10月14日，中國科學家在《自然》（《Nature》）期刊發表了一項關于“利用優化的二維鈣鈦礦在全鈣鈦礦疊層太陽能電池中實現均勻接觸”的研究，他們成功將1.05平方厘米尺寸的全鈣鈦礦疊層太陽電池的光電轉換效率提高至28.5%。

研究工作發表于《自然》雜志

（圖片來源：《自然》雜志）

研究團隊將4-氟苯乙胺和4-三氟甲基苯基銨兩種分子引入鈣鈦礦中，4-氟苯乙胺的引入提高了鈣鈦礦薄膜與電子傳輸層的均勻性，4-三氟甲基苯基銨增強了電荷的傳輸，二者的結合大大提高了鈣鈦礦太陽能電池的轉換效率。

全鈣鈦礦疊層電池的掃描電鏡圖；b. 太陽能電池的電流-電壓曲線；c. 太陽能電池的外量子效率與波長曲線；d. 不同帶隙太陽能電池的開路電壓曲線；e. 太陽能電池的功率轉換效率圖；f. 已發表的太陽能電池的功率轉換效率圖

（圖片來源：參考文獻1）

實驗結果表明，面積為1平方厘米的寬帶隙單結鈣鈦礦太陽電池的光電轉換效率達到了20.5%。通過與窄帶隙鈣鈦礦電池的堆疊，面積為1.05平方厘米的全鈣鈦礦疊層電池的轉換效率可提高至28.5%，相比于目前該尺度全鈣鈦礦疊層太陽能電池的轉換效率提升約2個百分點，實現了大面積鈣鈦礦太陽能電池轉換效率的突破。

鈣鈦礦太陽能電池，未來大有可為

鈣鈦礦太陽能電池作為低成本、高光電轉換效率的第三代太陽能電池的代表，具有很大的應用潛力。但是，鈣鈦礦太陽能電池要實現商業化應用，依然還有很長的路要走，要解決一系列所面臨的問題：

太陽能電站

（圖片來源：veer圖庫）

（1）穩定性問題：鈣鈦礦太陽能電池的穩定性是其商業化應用的主要瓶頸。鈣鈦礦材料易受環境因素影響，如水解、高溫分解、光照和氧氣作用下的分解等，導致電池性能下降。盡管目前鈣鈦礦太陽能電池的穩定性已達到一萬小時，但完全滿足產業化要求還需要一個過程。

（2）大面積制造問題：鈣鈦礦電池在小面積器件中表現出色，但隨著面積的放大，薄膜的均勻性降低，缺陷增多，導致效率和穩定性下降。

（3）鉛毒性問題：由于鈣鈦礦材料大多含有Pb元素，會對環境有潛在影響，因此無鉛化、低毒性材料的研發也是重要的關注方向

結語

科技的進步將太陽能電池以實物的形式呈現在我們眼前，并且成為全球能源轉型和應對氣候變化的關鍵途徑之一。然而，應對全球環境問題僅僅依靠高科技產品還是遠遠不夠的，我們需要進一步增強節能減排意識，依靠我們自身和高科技的共同努力保護地球環境。

參考文獻：

1.Wang, Y., Lin, R., Liu, C. et al. Homogenized contact in all-perovskite tandems using tailored 2D perovskite[J]. Nature , 2024.

2.Lin, R. et al. All-perovskite tandem solar cells with 3D/3D bilayer perovskite 360 heterojunction[J]. Nature, 2023.

3.魏靜,趙清,李恒,等.鈣鈦礦太陽能電池:光伏領域的新希望[J].中國科學:技術科學, 2014.

4.曹雨,王娜娜,伊昌,等.鈣鈦礦發光二極管:下一代發光與顯示技術[J].光學學報, 2022.

5.孫雪,黃鋒,劉桂雄,等.納米成核點輔助結晶對鈣鈦礦光電探測器性能的影響[J].物理學報, 2022.

來源: 中國科普博覽

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