作者：石畅（物理化学博士）
监制：中国科普博览
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当我们漫步在乡村小道时，屋顶上一片片蓝色玻璃映入眼帘，道旁的路灯也似乎戴上了玻璃帽子。这些神秘的“蓝色玻璃”究竟是何物？它们又扮演着怎样的角色？
农村屋顶上的“蓝色玻璃”
（图片来源：veer图库）
“蓝色玻璃”竟然可以发电？
其实，这些被安装在屋顶和路灯上的蓝色玻璃是太阳能电池板，是太阳能发电系统的核心组成部分。在光照充足的白天，这些电池板将光能转换为电能，为我们的生活提供清洁、可再生的能源。太阳能电池板为何如此神奇，为什么它能够将太阳能捕捉并转化成电能呢？
太阳能电池路灯
（图片来源：veer图库）
太阳能电池将光转化为电的能力与光电效应有关。光电效应是指光照射到某些物质（通常是金属或半导体）表面时，物质中的电子获得足够的能量，从物质表面逸出的现象。光照条件下，太阳能电池可以吸收光子，当光子的能量超过半导体电子逃逸能量时，电子就会发生跃迁，产生电能。什么材料能“担此大任”呢？
地球上含量第二多的元素：“蓝色玻璃”的核心原料
硅是地球上含量第二多的元素，因其具有合适的带隙（即电子从价带跃迁到导带所需的最小能量），能够充分地吸收可见光，是目前商业化太阳能电池中使用最多的半导体材料。
半导体材料：硅
（图片来源：veer图库）
我们平时常见的“蓝色玻璃”大多是多晶硅太阳能电池板，其主要原料是多晶硅。多晶硅是单质硅的一种形态，由不同晶面取向的晶粒结晶而成。多晶硅太阳能电池板的转换效率一般为15%-18%，具有成本低的优势，在日常生活中应用较多。
屋顶上的太阳能电池
（图片来源：veer图库）
如果仔细观察不难发现，太阳能电池板还有深蓝色或黑色，其实这类太阳能电池板也是以硅为原料，但主要用的是单晶硅。单晶硅由晶面取向相同的晶粒结晶而成，制备工艺更加复杂，成本也比多晶硅要高，但是转换效率可达20%，多用于航空航天领域。
目前，虽然硅基太阳能电池在生活中已经得到了广泛应用，但是单质硅的带隙固定，吸收太阳光的光谱范围有限，导致太阳能电池的光电转换效率较低。
然而，在硅之外，还有一种半导体材料，可以解决这些问题！
这种半导体材料，带隙可调，还可以叠加使用
钙钛矿是一种具有独特晶体结构的材料，最初是在天然矿石中被发现，现在泛指一类具有ABX3结构的化合物，其中A通常是有机阳离子，B是金属离子，X是卤素阴离子。这种结构赋予了钙钛矿材料一系列优异的光电特性，使其在太阳能电池领域展示出巨大的应用潜力。
钙钛矿太阳能电池
（图片来源：veer图库）
钙钛矿材料可以通过改变材料的组成来调整带隙，进而调控其吸收光的波长范围，最大程度地提高对太阳光的利用效率。正是由于钙钛矿材料带隙可调的特点，在构建太阳能电池时，可以将不同带隙的钙钛矿材料或者钙钛矿材料与硅基材料组成叠层结构，提高整体的光吸收效率。此外，钙钛矿材料可以通过溶液法等湿法工艺在低温下制备，制备成本也较低。
那么，有这么好的材料，是不是就可以“高枕无忧”了？事实并非如此。钙钛矿太阳能电池想要实现商业化应用，还必须要解决大面积制备时，因表面不均匀而导致的性能降低的问题。
大尺寸全钙钛矿太阳能电池迎来新突破！
目前，钙钛矿太阳能电池在0.1平方厘米的活性面积已经实现了高的光电转换效率（大于28%），超过了绝大多数的硅基太阳能电池。但是，由于大面积钙钛矿层不均匀等问题，大于1平方厘米的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率还较低（26%左右），制约了叠层钙钛矿太阳能电池的产业化进程。
2024年10月14日，中国科学家在《自然》（《Nature》）期刊发表了一项关于“利用优化的二维钙钛矿在全钙钛矿叠层太阳能电池中实现均匀接触”的研究，他们成功将1.05平方厘米尺寸的全钙钛矿叠层太阳电池的光电转换效率提高至28.5%。
研究工作发表于《自然》杂志
（图片来源：《自然》杂志）
研究团队将4-氟苯乙胺和4-三氟甲基苯基铵两种分子引入钙钛矿中，4-氟苯乙胺的引入提高了钙钛矿薄膜与电子传输层的均匀性，4-三氟甲基苯基铵增强了电荷的传输，二者的结合大大提高了钙钛矿太阳能电池的转换效率。
（图片来源：参考文献1）
实验结果表明，面积为1平方厘米的宽带隙单结钙钛矿太阳电池的光电转换效率达到了20.5%。通过与窄带隙钙钛矿电池的堆叠，面积为1.05平方厘米的全钙钛矿叠层电池的转换效率可提高至28.5%，相比于目前该尺度全钙钛矿叠层太阳能电池的转换效率提升约2个百分点，实现了大面积钙钛矿太阳能电池转换效率的突破。
钙钛矿太阳能电池，未来大有可为
钙钛矿太阳能电池作为低成本、高光电转换效率的第三代太阳能电池的代表，具有很大的应用潜力。但是，钙钛矿太阳能电池要实现商业化应用，依然还有很长的路要走，要解决一系列所面临的问题：
太阳能电站
（图片来源：veer图库）
（1）稳定性问题：钙钛矿太阳能电池的稳定性是其商业化应用的主要瓶颈。钙钛矿材料易受环境因素影响，如水解、高温分解、光照和氧气作用下的分解等，导致电池性能下降。尽管目前钙钛矿太阳能电池的稳定性已达到一万小时，但完全满足产业化要求还需要一个过程。
（2）大面积制造问题：钙钛矿电池在小面积器件中表现出色，但随着面积的放大，薄膜的均匀性降低，缺陷增多，导致效率和稳定性下降。
（3）铅毒性问题：由于钙钛矿材料大多含有Pb元素，会对环境有潜在影响，因此无铅化、低毒性材料的研发也是重要的关注方向
结语
科技的进步将太阳能电池以实物的形式呈现在我们眼前，并且成为全球能源转型和应对气候变化的关键途径之一。然而，应对全球环境问题仅仅依靠高科技产品还是远远不够的，我们需要进一步增强节能减排意识，依靠我们自身和高科技的共同努力保护地球环境。
参考文献：
1.Wang, Y., Lin, R., Liu, C. et al. Homogenized contact in all-perovskite tandems using tailored 2D perovskite[J]. Nature , 2024.
2.Lin, R. et al. All-perovskite tandem solar cells with 3D/3D bilayer perovskite 360 heterojunction[J]. Nature, 2023.
3.魏静,赵清,李恒,等.钙钛矿太阳能电池:光伏领域的新希望[J].中国科学:技术科学, 2014.
4.曹雨,王娜娜,伊昌,等.钙钛矿发光二极管:下一代发光与显示技术[J].光学学报, 2022.
5.孙雪,黄锋,刘桂雄,等.纳米成核点辅助结晶对钙钛矿光电探测器性能的影响[J].物理学报, 2022.