當前，使用化石燃料發電所帶來的環境負擔以及資源儲存量銳減，使得化石燃料無法可持續發展以滿足社會發展過程中不斷飆升的能源需求。在過去的幾十年裡，太陽能一直被認為是最具前景的可再生能源之一。然而，儘管光伏（PVs）應用有巨大的潛力和令人難以置信的技術進步，卻只佔全球能源消耗的很小的比例（<2%）。太陽能電池的廣泛部署，受到了巨大的財政需求和與可再生能源技術相關的間歇性挑戰的阻礙。與使用化石燃料相比，基於光伏發電的發電成本要高出好幾倍，而且它的競爭力嚴重依賴於政府的政策和補貼。光伏產業的主要份額（90%）由硅基太陽能電池主導，這一技術本身就具有很高的製造和安裝成本。雖然基於經驗預測曲線來看，硅光伏成本在未來預計將不斷降低，但其固有的技術侷限性，如光吸收（間接帶隙）、材料需求（高純度和高溫處理）和形式（笨重和剛性模塊），都限制了硅光伏產業的模塊效率和系統成本。因此，只有可持續的無補貼市場模式，才可能使太陽能電池無處不在，而開發具有更高效率潛力和更容易製造的替代技術就顯得至關重要。
鈣鈦礦太陽能電池是一種潛在的、變革性的光伏技術。它使用廉價且容易加工的有機-無機雜化的鈣鈦礦半導體作為光吸收材料，其電池器件囊括了當前各類光伏技術的優勢（如下圖所示）
1）效率高，其高效率可與晶硅光伏媲美；
2）質輕和柔性，質量輕和柔性的特點可比擬GaAs、CdTe和CIGS無機薄膜太陽能電池。
3）低溫溶液可加工性和顏色可調性。與有機、染料敏化和量子點薄膜太陽能電池一樣，鈣鈦礦太陽能電池具有溶液可加工性、成本低，且其顏色具有可調性，因此，可製備半透明的鈣鈦礦太陽能電池。
鈣鈦礦太陽能電池與其他薄膜太陽能電池相比，其光電性能（如光吸收係數，能量損失，電學性質，和質量功率）和對環境影響（壽命週期評估）如下圖所示。過去6年，大規模的研究工作已經導致了鈣鈦礦太陽能電池的空前發展，而實驗室規模的器件性能也給人留下深刻印象。在這個關鍵時刻，鈣鈦礦太陽能電池的耐久性問題是商業化道路上的關鍵障礙，而這些問題已經成為該領域研究的主要焦點。學術界和工業界正竭誠合作，為解決大規模模塊的相關挑戰。在短期內，由於其成本低且能源回報時間短（EPBT），鈣鈦礦太陽能電池將以短壽命產品的形態進入光伏市場，用於離網的利基應用（便攜式和可穿戴設備在電子、航空、軍事和醫藥等領域）。從長遠來看，隨著穩定性問題的解決，鈣鈦礦太陽能電池最終將加入其他的併網光伏技術，用於太瓦級規模的光伏部署。
有機-無機雜化鈣鈦礦:材料層面上挑戰
儘管有機-無機雜化鈣鈦礦的結構-特性-加工-性能特徵具有很大的吸引力（如下圖所示），但某些固有的材料依然是其面臨的挑戰。有機-無機雜化鈣鈦礦的缺陷容忍度較高，但由於點缺陷和擴展缺陷，如晶界、界面和表面的無序，導致了多晶的鈣鈦礦薄膜具有不可忽略的陷阱密度。而且，缺陷密度與薄膜面積成正比，薄膜面積越大，缺陷密度會越大。這些缺陷具有電子活性，可使電荷載流子在傳輸過程中發生非輻射覆合。有機-無機雜化鈣鈦礦材料的軟離子性質，會導致活化能較低，晶格容易變形，從而發生固有點缺陷和外在缺陷的遷移。因此，在太陽能電池工作條件下，動態離子的遷移就會引發電流-電壓（I-V）遲滯不穩定，使器件衰減嚴重。此外，有機陽離子的揮發性和極性也會導致鈣鈦礦在水汽或加熱情況下迅速降解。有機-無機雜化鈣鈦礦的這些固有缺陷，嚴重限制其電池器件性能和耐用性，學者們對這些挑戰也一直在努力地尋求解決辦法。
鈣鈦礦太陽能電池的研究輪廓圖
效率、穩定性、可伸縮性和成本是鈣鈦礦太陽能電池開發的關鍵，也是其成功實現從實驗室到工業轉變的關鍵所在。自從鈣鈦礦太陽能電池領域研究開始以來，提高器件的效率和穩定性一直是其主要的研究焦點。在過去的兩年中，越來越多研究人員致力於解決可伸縮性挑戰和降低電池成本。對鈣鈦礦太陽能電池的開發可以大致分為三個方面：器件、界面和鈣鈦礦工程。下圖描述了鈣鈦礦太陽能電池領域在這三個方面的發展，並在時間軸上總結了關鍵事件時間點。研究人員從多個維度如材料的特性、理論計算和實驗研究，使人們更好地理解了鈣鈦礦太陽能電池發展的根本問題，並開發了許多克服這些問題的創新方法。
文章轉自：http://flexeee.com/
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