资讯
Nature回顾：低成本太阳能电池的25年进展
自从上世纪开始，有识之士就意识到不可再生的化石能源并不是“取之不尽，用之不竭”，而且化石资源的大范围使用，会造成全球变暖等一系列问题，使得气候及环境都发生了始料未及的改变。太阳能作为一种清洁的可再生资源，自古就被人类所利用，如果能大规模的将太阳能转化为人类更常用的电能，人类的能源危机似乎就可以迎刃而解。为此，科学家们开发了各种类型的太阳能电池，其中最广为人知的，莫过于如今可以批量化生产的硅太阳能电池。但是，此类电池的成本还是比较高，不少企业仍然需要依托政府的资助。
除了硅基电池，太阳能电池还具有十几个其他种类，今年有篇Science 综述了常见的十几种电池的优缺点、技术难关及其使用范围（Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aad4424），其中研究较热的领域可以分为以下几个：当下驰骋Nature 与Science 的有机-无机杂化钙钛矿电池（其中效率最高的器件结构也可以认为是一类特殊的染料敏化电池）、近十几年比较红火的有机太阳能电池（现在受到钙钛矿电池冲击，发展变缓）、染料敏化电池（基础研究现在呈现下降之势，但也有不少研究成果向产业应用转换的报道，比如上海硅酸盐研究所的研究成果转化，点击查看介绍）。
各种光伏材料的性能。图片来源：Science
前面说过，成本一直是限制太阳能电池大规模应用的瓶颈，不少研究都集中在低成本太阳能电池上。最近，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的Mohammad K. Nazeeruddin在Nature 回顾了低成本太阳能电池25年的发展历程（Twenty-five years of low-cost solar cells. Nature, 2016, 538, 463-464, DOI: 10.1038/538463a）。从O'Regan与Grätzel在Nature 上报道的光电转换效率为7%的廉价染料敏化太阳能电池开始（Nature, 1991, 353, 737-740），一直到最近几年火热的钙钛矿太阳能电池。
Michael Grätzel教授。图片来源：EPFL
25年前创造的这种染料敏化太阳能电池，将染料铺在TiO2纳米颗粒的表面，染料吸收光，在染料与纳米颗粒之间的界面处会产生激发的电子和与之相关的空穴。电子通过TiO2传到一个电极（阳极），随后再传到阴极。最后液体电解质让电路形成闭路，电子与空穴重新复合，又回到了染料。电子的这种运动过程也就产生了电能。与之前的太阳能电池比较，染料敏化电池的创新性是TiO2与染料之间有极大的界面面积。染料敏化电池中很重要的一个研究方向就是将液体的电解质换成固体的空穴传输材料，制备固体的染料敏化电池。这可以增加这类电池的稳定性，避免液体泄漏。但是，目前固体染料敏化电池的效率却只有液体电池的一半左右，因为空穴传输材料不可能像液体电解质料一样能够均匀的渗透入TiO2的薄膜中。
染料敏化电池与钙钛矿电池原理对比示意图。图片来源：Nature
随后，科学家发现钙钛矿这一类神奇的材料，赋予了敏化电池固态框架结构。Tsutomu Miyasaka最初使用液态电解质制备了钙钛矿电池（JACS, 2009, 131, 6050-6051），随后演变为固态钙钛矿电池（Science, 2012, 338, 643-647）。多项研究证实，CH3NH3PbI3钙钛矿材料不仅仅是较好的吸光材料，还是非常好的电荷传输材料。目前，钙钛矿电池的最高效率超过了22%，不过其结构中，钙钛矿只是作为吸光的半导体，TiO2作为电子受体，聚合物充当空穴传输材料。据预测，钙钛矿电池的能量转换效率有望超过25%，真正有希望替代化石燃料。
钙钛矿太阳能电池虽然在近几年取得了突飞猛进式的进展，但是仍然面对很多问题，比如，材料的光热稳定性较差，以及材料含铅毒性较大等。科学家们也一直在努力解决这些的问题，因此这个前途光明的研究方向显得非常活跃。
X-MOL选取了近一两个月发表在Science 上的4篇和Nature Energy 上的2篇钙钛矿太阳能电池相关论文，把最新的进展介绍给各位用户，算是一个钙钛矿太阳能电池小专题吧。
这些最新进展包括：
用光固化含氟聚合物提高电池稳定性（DOI: 10.1126/science.aah4046）；
通过先制备成量子点再制备电池提高稳定性（DOI: 10.1126/science.aag2700）；
用聚合物模板调控钙钛矿薄膜成核及结晶生长来提高器件稳定性（DOI: 10.1038/NENERGY.2016.142）；
掺杂铷离子制备高效稳定的钙钛矿电池（DOI: 10.1126/science.aah5557）；
制备叠层器件以提高钙钛矿电池效率（DOI: 10.1126/science.aaf9717）；
通过异质结工程促使1平方厘米大面积钙钛矿电池光电转换效率达到18.21%（DOI: 10.1038/NENERGY.2016.148）。
http://www.nature.com/nature/journal/v538/n7626/full/538463a.html