科技前沿丨钙钛矿：冉冉升起的光伏材料新星

  日期：2024-07-13 作者: 新闻中心

　　近日，国际学术期刊《自然》刊登了我国科研团队在钙钛矿发光二极管（LED）领域取得的重大突破。研究人员通过加快辐射复合速率，钙钛矿LED外量子效率突破30%大关，接近实现产业化水平。这一重大突破，进一步彰显了基于钙钛矿LED显示技术的巨大潜力，预示着该技术在高效绿色照明领域的广泛应用前景。

　　今年2月，我国科研团队研制的大面积全钙钛矿光伏组件取得新突破，经国际权威第三方机构测试，其稳态光电转化效率达24.5%，刷新大面积全钙钛矿光伏组件光电转化效率世界纪录。

　　近年来，钙钛矿屡屡在新闻中出现。作为一种新型材料，钙钛矿何以成为光伏产业冉冉升起的新星？它又会怎样改变我们的生活？请看本期解读。

　　一家科技公司智能生产车间，钙钛矿光伏组件正在自动化生产线上进行激光划刻工艺。新华社发

　　钙钛矿的英文名为Perovskite。与一般的化合物不同，钙钛矿的英文名并没有体现它本身的成分或结构，而是来自一个人。

　　1839年，在作为欧洲和亚洲分界线的乌拉尔山脉中，德国矿物学家古斯塔夫斯·罗斯发现了一种天然矿物。为向俄罗斯地质学家列夫·佩洛夫斯基（Lev Perovski）致敬，罗斯给这种矿物命名为Perovskite。

　　不知是历史的巧合，还是时代的必然，钙钛矿被发现的同一年，19岁的法国青年亚历山大·贝克雷尔在实验中首次观察到了光伏效应，揭开了将光能转化为电能的序幕。这两个看似毫不相关的发现，却在未来一同推动了光伏产业革命性的发展。

　　其实，古斯塔夫斯·罗斯最初发现钙钛矿时，并没有十分重视。这种情况在科学研究中并不少见，尤其是当一种新发现的矿物还没有立即显现出显著的应用价值时。尽管罗斯并未立即意识到其潜力，他还是将样品和研究成果分享给了同行。

　　事实上，直到钙钛矿被发现170年后，它才终于引起科学家们的重视。2009年，日本科学家宫坂力及其同事首次选用有机-无机杂化的钙钛矿材料，制备出全球第一个具有光电转换效率的钙钛矿太阳能电池器件。尽管初始效率仅有3.8%，但这一创举无疑为钙钛矿材料的应用推开了一道尘封之门。

　　今天，钙钛矿已经有了180多年的历史。而它也从单指由无机物钛酸钙（CaTiO3）组成的矿物，发展为泛指符合ABX3化学结构的任何材料。其中，A代表有机阳离子，B为铅离子或亚锡离子，X为卤素阴离子。这种结构赋予了钙钛矿材料高度的灵活性和独特的光电特性。同时，凭借着低廉的成本和简单的制取工艺，钙钛矿在科学界和工业界的主体地位逐渐确立，迅速引起了研究人员和企业的广泛关注。

　　在光电探测、激光、LED等多个高科技领域，钙钛矿迅速展现出巨大的应用潜力。尤其是在光伏产业中，钙钛矿太阳能电池凭借其高转换效率和低生产所带来的成本，正在向传统硅基太阳能电池发起挑战，成为下一代光伏技术的有力竞争者。

　　在全球能源危机和环境保护需求的双重压力下，寻找高效、低成本、高环保的新能源技术成为了科学界的重要课题。传统硅基太阳能电池虽然在光伏领域占据主导地位，但其高昂的制造成本和能耗较高的生产的全部过程限制了其进一步普及。而在此背景下，钙钛矿太阳能电池凭借其独特的材料优势，迅速成为光伏领域的新秀，受到广泛关注。

　　然而，科研的道路总是充满坎坷。稳定性差、效率提升缓慢……在钙钛矿材料的研究初期，科研工作者面临着重重困难。2011年，韩国成均馆大学朴南圭课题组通过技术改进，才将转化效率提高到6.5%，但材料的稳定性问题仍未得到一定效果解决。直到2012年，朴南圭团队首次报告了效率接近10%的全固态有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池，这被认为是钙钛矿太阳能电池发展历史的一个里程碑。

　　2013年，《科学》杂志评选年度“世界十大科技突破”，钙钛矿太阳能电池名列其中，被称为“最有前景的下一代光伏技术”。这也使得钙钛矿几乎一夜之间成了行业关注的焦点。

　　在新能源产业变革的十字路口，钙钛矿以黑马之姿异军突起。短短10多年时间，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从3.8%飙升至26%。而晶硅太阳能电池效率从最初的3%提升至26%，则花了将近80年时间。钙钛矿太阳能电池效率提升前所未有，这一跃进速度令业界震惊。

　　钙钛矿太阳能电池的优势不仅在于其高转换效率，还在于其低成本的制造工艺。根据国际能源署（IEA）的数据，传统硅基太阳能电池需要在高温（约1500℃）和高纯度的环境下生长出单晶硅，这不仅消耗大量能源，还导致成本居高不下。相比之下，钙钛矿太阳能电池则能够最终靠溶液法在常温下制备，生产的全部过程中温度通常低于150℃，极大地降低了生产所带来的成本。研究表明，钙钛矿太阳能电池的制造成本可比传统硅基电池低50%以上。此外，钙钛矿材料的可调性，使得它能够准确的通过需要调整光电性能，这为太阳能电池的定制化生产提供了可能。

　　钙钛矿太阳能电池的研究，还推开了更多的“门”和“窗”，使得人类能探索更广泛的应用领域。例如，柔性钙钛矿太阳能电池、透明钙钛矿太阳能电池以及光伏建筑一体化系统（BIPV）等新型应用，均展现出广阔的市场前景。

　　如今，钙钛矿产业化进程不断加快，各大厂商争相投资建设100MW级产线。今年，钙钛矿产业又将迎来许多个GW级产线的重要一步，也是钙钛矿电池实现技术成熟度和商业化突破的关键。在跨越量产这道主要壁垒后，钙钛矿光伏技术正在打开实证应用的大门。

　　光伏领域，钙钛矿太阳能电池正在慢慢地成为传统硅基太阳能电池的有力竞争者。钙钛矿太阳能电池能应用于构建集成光伏、便携式产品、可穿戴电子科技类产品和近空间应用等，也可以集成到物联网系统中包括无线传感器、智能家居设备等各种设备和应用。2022年7月，杭州一家科技公司在中国浙江省安装并运行了100kW的钙钛矿光伏系统。该系统是第一个报道100千瓦规模的并网钙钛矿光伏系统。

　　显示领域，钙钛矿材料以其高发光效率和可调节的颜色输出，迅速应用于LED和显示器。钙钛矿LED已成为下一代显示技术的热门候选者。近年来，红光、绿光钙钛矿LED器件外量子效率屡创新高，而蓝光钙钛矿LED器件发展则较为缓慢。今年初，中国科学技术大学研究团队通过创新策略提高了蓝光钙钛矿LED的性能，明显提升了其稳定性和发光效率。这一进展为未来蓝光钙钛矿LED的广泛应用奠定了基础，也标志着钙钛矿LED技术领域取得了显著的进步。虽然目前钙钛矿LED距离商业化还有一段距离，但它的前景已能预见。高效能的钙钛矿LED不仅能让屏幕更亮、颜色更真实，其续航也能更强。此外，高亮度、低能耗的光源对于精密手术、生物检测等具备极其重大意义。甚至在航空航天时，钙钛矿LED都有可能发挥重要作用。

　　钙钛矿材料因其独特的电磁性质和氧化还原活性，还可以被用于催化剂。钙钛矿复合氧化物作为极具发展的潜在能力的新型催化剂，被大范围的应用于汽车尾气净化、化工生产、有机物合成等多个领域。钙钛矿复合氧化物催化剂还能高效催化二氧化碳还原和甲烷活化，将它们转化为高的附加价值的化学品和燃料。因此，这一技术被认为是解决全球气候变暖问题的理想方案。

　　未来，随着科研的深入和技术的创新，钙钛矿材料有望突破现有的瓶颈，借助其可调性和低成本制造工艺，实现大规模商业化生产，为全球能源转型和环境保护贡献重要力量。