2013年以来，随着钙钛矿光伏技术的快速进步，此项技术已经成为光伏学术界的最重要热点，全世界几乎所有设置了理工学科的大学都在从事钙钛矿光伏技术的研究，国内外从事钙钛矿研究的实验室数以千计。 1 钙钛矿材料的基础知识 钙钛矿这个名字的本意是指钛酸钙（CaTiO3）矿石，尔后具有与钛酸钙类似晶体结构的材料被统称为钙钛矿材料。钙钛矿材料的元素构成都满足ABC3，而且典型的钙钛矿晶体具有一种特殊的立方结构。如图1所示，在钙钛矿晶体的立方结构中，A元素是一个大体积的阳离子，居于立方体的中央；B元素是一个较小的阳离子，居于立方体的8个顶点；C元素是阴离子，居于立方体的12条边的中点。换言之，若某种材料的晶体结构于此相符，则此类材料就可被称为钙钛矿材料。
图1: 钛酸钙晶体及其晶体结构。 钙钛矿最早被发现于1839年，到1926年其晶体结构就已基本明确。长期以来，学术界研究了钙钛矿材料的许多可能应用，包括非线性光学、激光等。1980年代，有机－无机复合型的钙钛矿材料开始出现。此类材料的结构特点是，ABC3中的阳离子A是一个有机小分子，B和C则是无机离子。引入有机小分子之后，此类钙钛矿材料便能溶解在普通溶剂里，从而为材料的应用带来了许多便利。典型的有机－无机复合型钙钛矿有碘化铅甲胺（CH3NH3PbI3）、溴化铅甲胺（CH3NH3PbBr3）等。 图2: 碘化铅甲胺（CH3NH3PbI3）晶体（左）和溶液（右）。 2 钙钛矿光伏技术的原理性优势 2009年，日本桐荫横滨大学的宫坂力教授将碘化铅甲胺和溴化铅甲胺应用于染料敏化太阳能电池，获得了最高3.8%的光电转化效率，此为钙钛矿光伏技术的起点。此后，钙钛矿太阳能电池的结构设计和配套材料等持续进步，在短短7年间效率就提高到了22.1%。在光伏技术领域，如此迅速的技术飞跃是从来没有过的。以主流的多晶硅技术为例，1985年，多晶硅太阳能电池的实验室效率是15%左右，到2004年增长到20.4%，20年时间只增长了5个百分点；2004年到2015年，11年间只增长到20.6%，几乎没有任何进步。如图3所示，钙钛矿光伏技术在很短的时间内异军突起，迅速实现了对多晶硅技术的反超。目前钙钛矿太阳能电池的效率已经显著高于多晶硅，而且它的上升势头远未停止，在短时间内超过25%看来绝非难事。
图3: 多晶硅太阳能电池技术和钙钛矿太阳能电池技术的进步情况对比 |
