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大总结！2016年各大新型太阳能电池领域的关键突破（上）
化石能源的不可持续及其产品使用带来的环境问题，让人类陷入了能源危机，而用之不竭的太阳能是解决问题的希望之一。在太阳能电池领域中，传统的硅基电池目前在市场上占据统治地位，但它高昂的成本使得科学家们开始寻找新的更优的材料和器件设计。本文着重于介绍近些年新兴的新型太阳能电池领域：钙钛矿太阳能电池、有机太阳能电池、染料敏化太阳能电池、量子点太阳能电池等在过去一年里的关键突破。
（一）钙钛矿太阳能电池领域
钙钛矿太阳能电池领域是当今最耀眼的明星，而且有可能引领整个产业发展的新方向。提升稳定性、面积及效率并挑战极限，是其研究发展的必然趋势，而在这些方面，科学家们于2016年取得了诸多重大突破。
1. Science：氟化光敏聚合物助力钙钛矿太阳能电池稳定性大幅提高
不同条件下的老化试验（前三个月都在氩气气氛下；后三个月在湿度为50%的气氛下；六个月都置于紫外照射下）。图片来源：Science
都灵理工大学Federico Bella、米兰理工大学Gianmarco Griffini和瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的Anders Hagfeldt等人采用光固化含氟聚合物提高钙钛矿太阳能电池效率及稳定性。该多功能含氟聚合物掺杂有巴斯夫公司生产的有机染料Lumogen F Violet 570，具有荧光下转移性能，可以起到的作用有：(i) 防止钙钛矿活性层受到紫外照射，并且将紫外光转化为有用的可见光；(ii) 起到防潮保护层作用，防止钙钛矿层水解；(iii) 通过该聚合物的自清洁作用（由于表面能非常低）保持钙钛矿电池前电极的自清洁。（Science, 2016, 354, 203-206; 点击阅读详细）
2. Science：大面积钙钛矿电池光电转换效率接近20%
(A) 利用真空闪蒸辅助溶液处理（VASP），在钙钛矿薄膜形成过程中的成核/结晶过程示意图；(B) 钙钛矿太阳能电池的结构示意图；(C) 太阳能电池横截面的高分辨率SEM图像。图片来源：Science
洛桑联邦理工学院（EPFL）Michael Grätzel教授课题组报道了利用真空闪蒸溶液处理法制备1平方厘米的钙钛矿电池器件，效率突破20%，其认证效率达到19.6%，这为钙钛矿电池走向企业生产的中试线起到了重要作用。其中最重要的步骤是第二步真空闪蒸。真空闪蒸是一种广泛使用的“老方法”，已经有较成熟的工艺技术。而且该方法的可重复性极佳，且电池器件几乎观察不到迟滞效应。（Science, 2016, 353, 58-62; 点击阅读详细）
3.Science：利用带隙优化制备钙钛矿-钙钛矿叠层电池，实现高光电转换效率
(a) 二端及四端叠层钙钛矿电池结构；(b) 两端叠层钙钛矿电池的扫描电镜图；(c) 两端叠层钙钛矿电池的电流-电压曲线；(d) 各层电池的外量子效率曲线；(e) 四端电池的电流-电压曲线。图片来源：Science
牛津大学Henry J. Snaith教授领导的研究团队在2016年初已经发了一篇Science，报道了混合阳离子用于叠层钙钛矿太阳能电池，文章展示该钙钛矿电池与硅电池进行四端叠层可以实现25%的光电转换效率（Science, 2016, 351, 151-155; 点击阅读详细）。
而几个月之后的这篇Science文章中，该团队与美国斯坦福大学的Michael D. McGehee合作，展示了一种带隙为1.2 eV的钙钛矿材料FA0.75Cs0.25Sn0.5Pb0.5I3（FA = formamidinium），其光电转换效率为14.8%，且器件性能稳定。作者将其与带隙为1.8 eV的FA0.83Cs0.17Pb(I0.5Br0.5)3结合，制备两端全钙钛矿叠层器件，小面积可以达到17%的光电转换效率。而这种材料与带隙为1.6 eV且半透明的FA0.83Cs0.17Pb(I0.5Br0.5)3制备成全钙钛矿四端叠层器件，小面积器件的效率可达20.3%，1平方厘米大面积器件的效率可以达到16%（Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aaf9717; 点击阅读详细）。
单层钙钛矿如果实际印刷生产可以实现，叠层并不会额外增加很大成本，科学家们自然不会放弃叠层电池来突破效率极限的研究。况且单层与叠层可能应用的范围不同（比如固定面积对效率有特定要求时），所以大力发展叠层器件也是有必要的，而不应该简单地认为叠层电池工艺复杂而不该去开发。
4. Nature：二维钙钛矿材料大幅提高钙钛矿电池稳定性
二维与三维钙钛矿电池稳定性表征（a/c 持续光照；b/d，65%的相对湿度）。图片来源：Nature
美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）的Aditya D. Mohite课题组制备了一种接近单晶的二维钙钛矿薄膜。其无机钙钛矿成分的晶面相对于平面太阳能电池中的触点进行面外取向排列，有利于电荷传输，避免了之前二维钙钛矿的缺陷。未包封的二维钙钛矿器件，其光电转换效率能够在持续光照2250小时后仍保持在初始值的60%以上，而且能耐受65%的相对湿度，这些性能都大大超过了三维钙钛矿电池器件。当器件进行包封后，在连续光照或者潮湿环境中，效率没有出现明显降低。这篇文章是二维钙钛矿电池的一个转折点，后续其他课题组利用二钙钛矿电池均取得了许多重要突破，这为钙钛矿电池稳定性的提高提供了非常好的思路。（Nature, 2016, 536, 312-316, DOI: 10.1126/science.aaf9717; 点击阅读详细）
（二）有机太阳能电池领域
2016年，有机太阳能电池领域也取得了诸多重大突破。但是该领域仍然面临着大面积、成本、稳定性及效率的瓶颈，当然突破效率极限也是降低成本的很好方式，不论单层还是叠层，每一次效率极限的提高都是该领域的一个重大进步。此外，非富勒烯有机太阳能电池领域耀眼夺目，取得了很多效率突破，但多数高效率非富勒烯分子依旧是根据2015年报道的ITIC进行化学微调所得到的。此外，三元电池的发展也可谓是如火如荼。
有机太阳能电池目前处于基础研究阶段，科研人员自然不会放弃任何使得效率提高的途径，因为效率提高是降低成本的简单方法。与钙钛矿电池相同，有机太阳能电池也分为单层与叠层，而叠层电池与单层电池以后可能分别应用于不同方面，都应该并进发展。
1. Nature Energy：非卤素碳氢烃类溶剂助推高效聚合物单层太阳能电池
a 器件制备选用的溶剂及给体材料的结构；b两种溶剂制备器件的电流电压曲线；c 外量子效率曲线。图片来源：Nature Energy
表一 器件的参数表
西安交通大学马伟和香港科技大学He Yan等科学家利用碳氢烃类溶剂代替目前常用的含卤溶剂制备了高效有机太阳能电池，其最高认证效率可以达到11.5%，实验室效率可以达到11.7%。而且该新型溶剂制备体系不需要额外的化学合成或器件调控，这对于实际大规模生产也有非常重要的意义。这对于开发高效、环境友好的有机太阳能电池非常重要（Nature Energy, 2016, DOI: 10.1038/nenergy.2015.27）。
2. Nature Photonics：叠层有机太阳能电池效率达到12.7%
叠层电池用到的给体材料以及两个材料的吸收。图片来源：Nature Photonics
表一 不同面积的器件参数表
华南理工大学彭小彬和南开大学万相见、陈永胜等科学家利用两种小分子给体材料，制备全小分子的叠层太阳能电池器件。在一个太阳下，认证光电转换效率达到了12.7%，这是有机太阳能电池领域的最高光电转换效率。而在0.3个太阳下，电池光电转换效率可以达到13%。作者制备了不同面积的叠层器件，其中超过1平方厘米的器件效率可以达到近11%（Nature Photonics, 2016, DOI: 10.1038/nphoton.2016.240）。
与钙钛矿电池的发展类似，尽管叠层电池比单层制备复杂，但是一旦单层印刷技术大规模解决，叠层的技术并不会比单层复杂很多，在某些特殊应用领域，单位固定面积单层电池的光电转换效率无法满足某些特殊应用要求情况下，此时叠层电池技术就显得更加关键，所以不该局限思维只偏重单层电池而忽视叠层电池研究。
3. Nature Materials：降低效率-稳定性-成本的失衡，高效三元非富勒烯太阳太阳能电池
a 相关材料的化学结构；b 相应材料的电化学能级；c 各种材料的薄膜吸收图；d 相同浓度的各种材料在氯仿溶液中的摩尔消光系数。图片来源：Nature Materials
a 不同的二元、三元电池的效率在未包封且在黑暗空气中的稳定性曲线；b 在未包封且在光照空气中的稳定性曲线。图片来源：Nature Materials
三元共混有机太阳能电池是同时提高短路电流、开路电压、填充因子的有效途径，伦敦帝国理工学院与阿卜杜拉国王科技大学的Iain McCulloch、Derya Baran、Raja Shahid Ashraf等科学家利用两种非富勒烯小分子材料FBR和IDFBR，分别与P3HT或者PCE10制备了倒装结构的三元共混电池体系，其光电转换效率分别为7.7 ± 0.1%及11.0 ± 0.4%。1200小时后，在空气及黑暗条件下，P3HT : IDTBR : IDFBR（1:0.7:0.3）三元共混器件还能保持原有效率的80%，然而P3HT : IDTBR却只能保持70%（4.3%）。利用经典廉价的P3HT作为给体材料，三元共混降低了效率、寿命、能量转换效率及成本之间的失衡，离实现高效率、低成本、长寿命的有机太阳能电池又近了一步（Nature Materials, 2016, DOI: 10.1038/nmat4797; 点击阅读详细）。所以，科学家们应该开发廉价高效的材料作为开发太阳能电池的应用。
（未完待续）