硅的替代品：为什么钙钛矿可以将太阳能电池的研发带到新高度？

硅和碲化镉是光伏领域的另外两个主要“竞争者”，指的是特定的材料。另一方面，术语钙钛矿指的是整个化合物家族，此类氧化物最早被发现，是存在于钙钛矿石中的钛酸钙化合物。这种矿物于1839年被发现，并以俄罗斯地质学家列夫 · 佩罗夫斯基 ( Lev Perovski )的名字命名。

钛酸钙（CaTiO3）是原始矿物钙钛矿，有一个独特的晶体构造。它有一个三部分结构，其组成部分已被标记为A、B和X，其中不同成分的晶格是交错的。钙钛矿家族由许多可能的元素或分子组合组成，这些元素或分子可以占据这三部分中的每一部分，并形成与原始钙钛矿本身类似的结构。

“你可以将原子和分子混合并匹配到结构中，但有一些限制。例如，如果你试图把一个太大的分子塞进结构中，你会使它变形。最终，你可能会导致三维晶体分离成二维分层结构，或完全失去有序的结构，”麻省理工学院机械工程教授兼光伏研究实验室主任Tonio Buonassisi说。“钙钛矿是高度可调控的，就像一种建造你自己的冒险类型的晶体结构。”

这种交错格子的结构由离子或带电分子组成，其中两个（A和B）带正电，另一个（X）带负电。通常情况下，A和B离子的大小相当不同，A离子更大。

在整个钙钛矿类别中，有许多类型，包括金属氧化物钙钛矿，它们已在催化和能源储存和转换中找到应用，如燃料电池和金属空气电池。但据Buonassisi说，十多年来，研究活动的一个主要焦点是卤化铅钙钛矿。

在这一类别中，仍有大量的可能性，世界各地的实验室正在进行繁琐的工作，试图找到在效率、成本和耐用性方面表现最佳的变体--迄今为止，这是最具有挑战性的三者。

许多团队还专注于消除铅的使用的变化，以避免其对环境的影响。然而，Buonassisi指出，“随着时间的推移，铅基设备的性能不断提高，而其他成分在电子性能方面都没有接近。”探索替代品的工作仍在继续，但就目前而言，没有一个能与卤化铅版本竞争。

Buonassisi说，钙钛矿提供的巨大优势之一是它们对结构中的缺陷有很大的容忍度。与硅不同的是，硅需要极高的纯度才能在电子设备中发挥良好的作用，而钙钛矿即使存在许多缺陷和杂质也能正常工作。

为钙钛矿寻找有前景的新候选成分有点像大海捞针，但最近研究人员想出了一个机器学习系统，可以大大简化这一过程。作为该研究的共同作者之一Buonassisi说，这种新方法可能会导致新替代品的开发速度大大加快。

虽然钙钛矿继续显示出巨大的前景，而且一些公司已经在准备开始一些商业生产，但耐久性仍然是它们面临的最大障碍。虽然硅太阳能电池板在25年后还能保持90%的电力输出，但钙钛矿的降解速度要快得多。已经取得了很大的进展--最初的样品只持续了几个小时，然后是几周或几个月，但较新的配方的可用寿命长达几年，适合于一些对寿命不重要的应用。

Buonassisi说，从研究的角度来看，钙钛矿的一个优点是它们在实验室里相对容易制造--化学成分很容易组装起来。但这也是它们的缺点：“这种材料在室温下很容易组合在一起。但它在室温下也很容易分离。来得容易，去得也容易！”

为了处理这个问题，大多数研究人员专注于使用各种保护材料来封装钙钛矿，保护它不暴露在空气和水分中。但其他研究人员正在研究导致这种降解的确切机制，希望能找到本质上更坚固的配方或处理方法。一个关键的发现是，一个被称为自催化的过程在很大程度上要归咎于这种分解。

在自催化过程中，一旦材料的一个部分开始降解，其反应产物就会作为催化剂开始降解结构的邻近部分，并开始进行失控反应。在对其他一些电子材料的早期研究中也存在类似的问题，如有机发光二极管（OLED），并最终通过对原材料增加额外的净化步骤而得到解决，所以在钙钛矿的情况下可能会找到类似的解决方案，Buonassisi建议。

Buonassisi和他的合作研究人员最近完成了一项研究，表明一旦钙钛矿达到至少十年的可用寿命，由于其较低的初始成本，将足以使其在经济上可行，成为大型公用事业规模太阳能农场的硅替代品。

他说，总体而言，钙钛矿的开发进展令人印象深刻，令人鼓舞。他说：“通过短短几年的工作，它已经实现了与碲化镉相当的效率。碲化镉存在的时间更长，但仍在努力实现这一水平。在这种新材料中达到这些更高的性能的容易程度几乎令人目瞪口呆。比较为实现1%的效率改进所花费的研究时间，钙钛矿的进展比碲化镉的进展快100到1000倍。这就是它如此令人兴奋的原因之一。”