钙钛矿：冉冉升起的光伏材料新星
■陈志豪 逯心一 王恋
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
下一代光伏技术的有力竞争者
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，却在未来共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重要地位逐渐确立，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。特别是在光伏产业中，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。
新能源变革中的黑马
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有效解决。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程的一个里程碑。
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可以通过溶液法在常温下制备，生产过程中温度通常低于150℃，极大地降低了生产成本。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，使得它可以根据需要调整光电性能，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”，使得人们可以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级产线落地。100MW产线，是光伏电池技术从0到1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。
未来的璀璨之星
如今，属于钙钛矿的“高光时刻”正在来临。
光伏领域，钙钛矿太阳能电池正在逐步成为传统硅基太阳能电池的有力竞争者。钙钛矿太阳能电池可以应用于构建集成光伏、便携式产品、可穿戴电子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，显著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，但它的前景已可以预见。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、生物检测等具有重要意义。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潜力的新型催化剂，被广泛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，将它们转化为高附加值的化学品和燃料。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。
