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Energy Environ. Sci.综述：高效钙钛矿太阳能电池发展历程
在过去几年里，材料学领域最热的研究话题就是有机-无机杂化钙钛矿。由于钙钛矿本身的特性，在应用到光电领域时它迅速成为一颗明星。与硅以及其他薄膜技术相比，钙钛矿由于其惊人的能量转化效率，引发了光电领域的革命性发展。在刚刚过去的这几年里，世界各国科学家发表论文作品高达2,000多篇，也使得钙钛矿太阳能电池快速走向成熟。钙钛矿太阳能电池由有机金属卤化物材料组成，它的转化效率也由2009年的3.8%发展到2016年的22.1%（验证效率）。并且，钙钛矿太阳能电池的器件结构也由传统的介孔结构演变成没有介孔的平面结构。平面结构可以实现低温加工，目前可以实现与高温加工的介孔结构相当的器件效率。
最近，瑞士洛桑联邦理工学院的Juan-Pablo Correa-Baena、Michael Saliba和阿道夫•梅克尔研究所Antonio Abate等人总结了钙钛矿太阳能电池最近的快速发展，认为这引发了光伏产业的革新，并使之进入了一个新阶段。在这篇综述中，作者总结了性能卓越的钙钛矿所具有的性能，以及目前对钙钛矿太阳能电池器件物理的理解。此外作者还讨论了在稳定性方面的快速发展。最后，作者对钙钛矿太阳能电池对光伏产业的未来的影响作了相关展望。
图1. 金属卤化物钙钛矿材料的结构示意图。图片来源：Energy Environ. Sci.
金属卤化钙钛矿材料最大的一个优点就是可以选用不同的离子取代来调节材料的光学性能。如图2所示，MAPbI3中的碘离子可以用氯和溴离子取代，并可分别得到单晶。然而，随着卤化离子体积的减小，最终钙钛矿材料的带隙增加，并且对于Cl、Br、I单晶的钙钛矿他们带隙分别为2.97、2.24和1.53 eV。
图2. 杂化钙钛矿材料的多样性以及吸收可调性。图片来源：Energy Environ. Sci.
钙钛矿太阳能电池最传统的器件结构是介孔结构（如图3a），目前报道的最高效率已经高达22.1%（如图3d）。其中发展过程中一个重大突破就是引入了固态的空穴传输材料HTL（SpiroOMeTAD），从而开拓了钙钛矿电池的新探索领域。
图3. 高效钙钛矿太阳能电池发展示意图。图片来源：Energy Environ. Sci.
从2012年开始，平面异质结器件结构也得到了迅速发展，最近低温可溶液加工的SnO2ESLs的使用，得到了高达20.8%的器件效率。
图4. 钙钛矿太阳能电池的工作原理。图片来源：Energy Environ. Sci.
在钙钛矿太阳能电池中，迟滞现象是不能忽略的，否则器件效率参数便失去了意义。因此如何消除迟滞现象，这是实现钙钛矿太阳能电池实现商业化的重大挑战。在本文中，作者分别从开路电压Voc、短路电流Jsc、填充因子FF等方面做了详细阐述。
钙钛矿材料的稳定性是影响钙钛矿太阳能电池发展的另一个挑战。影响钙钛矿太阳能电池稳定性的因素有很多，其中湿度是影响最大的因素，因为水分子能与钙钛矿形成强烈的相互作用（见图5a）。因此包封器件使其与外界隔离是一种有效的方式。
图5. 钙钛矿太阳能电池退化机制。图片来源：Energy Environ. Sci.
尽管目前钙钛矿太阳能电池最高效率已经达到20%，但是进一步提高效率，以及研究离子移动对于器件长期的稳定性仍然是未来几年钙钛矿研究的重点，这也需要各界科学家共同努力。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
The rapid evolution of highly efficient perovskite solar cells
Energy Environ. Sci., 2017, DOI: 10.1039/c6ee03397k
（本文由科研小顽童供稿）