中国科学院院士李永舫详解近期3篇《科学》论文： 钙钛矿太阳能电池应重“叠层”

近期，钙钛矿太阳能电池研究领域异常火热。刚刚过去不久的3月份，《科学》连续刊发4篇有关钙钛矿太阳能电池的研究论文，其中关于钙钛矿与硅的叠层太阳能电池的文章就有3篇。

钙钛矿太阳能电池的热点科学问题是什么?受关注的解决策略有哪些?近期发表的文章对热点科学问题有什么贡献?带着这些问题，4月15日，《中国科学报》专访了中国科学院院士、中国科学院化学研究所研究员李永舫。

“3篇采用叠层技术的文章值得重视，将来可能会进一步提升商品化硅太阳能电池的能量转化效率，但这一方向目前国内开展研究的不多。”李永舫指出，“国内研究者应该重视钙钛矿/硅叠层太阳能电池的研究，尤其是在现有硅太阳能电池生产线技术的基础上开发钙钛矿/硅叠层太阳能电池生产技术，同时需要研究叠加钙钛矿太阳能电池后对原来的硅太阳能电池产品稳定性和寿命的影响。”

《中国科学报》：为何钙钛矿太阳能电池这么受关注?

李永舫：钙钛矿太阳能电池是利用一种新兴的钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料，进行光电转换的光伏器件。最近几年，钙钛矿太阳能电池得到快速发展，能量转化效率已经超过25%，并且具有低成本溶液加工的优势，拥有很大的应用潜力。

在潜在应用领域中，它的竞争对手是硅光伏电池。当今商用光伏市场份额主要被硅光伏电池占据，因为它可以稳定提供超过18%的组件能量转化效率、25年以上的使用寿命以及0.3美元/瓦的低成本，接近于电网平价的水平。

《中国科学报》：要与硅光伏电池竞争，钙钛矿太阳能电池在科学上还需要加强哪些工作?

李永舫：相比之下，新兴的钙钛矿太阳能电池仍然需要在各方面更加成熟，除了效率以外，还应关注稳定性、大面积器件的生产工艺、材料和器件制备的成本等等，才能真正形成产业竞争力。现在提升稳定性应当作为钙钛矿太阳能电池研究的重点，因为这是钙钛矿太阳能电池能否实现实际应用的关键。

《中国科学报》：近期的3篇《科学》论文有哪些特点?对上面提到的工作有什么帮助吗?

李永舫：我花了一些时间，仔细读了近期3篇《科学》上发表的前沿工作，都是针对钙钛矿光伏材料的另一种潜在应用方式：钙钛矿/硅叠层太阳能电池。叠层技术是进一步提高效率从而降低光伏发电成本的有效途径。

钙钛矿太阳能电池相比硅太阳能电池，能更有效地利用高能量的紫外和蓝绿可见光，而硅太阳能电池可以有效地利用钙钛矿材料无法吸收的红外光，因此，通过叠层方式组合这些高效的单电池，可以突破传统纯硅光伏电池的理论效率极限，进一步提升硅光伏电池的效率。

比如，3月6日，美国科罗拉多大学团队发表的这篇论文，获得了截至目前文献报道的钙钛矿/硅叠层太阳能电池27%的最高能量转化效率。这项工作重点围绕一直以来备受关注的问题：氯元素在混合钙钛矿中的功能与作用。研究人员利用一系列材料学表征手段进行了研究，并通过对钙钛矿组分以及氯的调节，加上电池制备集成工艺上的经验积累，得到了如此高的效率和较好的稳定性。

同日，加拿大多伦多大学、沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学等团队合作发表的论文，创新点集中在叠层电池连接技术的有效精简上，尤其是在复杂的纹理化硅电池表面制备叠层器件的连接技术。对于商品化的硅太阳能电池，为了提高太阳光的吸收和利用，在硅电池表面大多会制备成纹理化结构，因此该项研究工作对于与商品化的硅太阳能电池生产技术的接轨具有潜在的优势和实用性。

3月26日，美国国家可再生能源实验室和韩国首尔大学团队合作发表的论文，思路仍然集中在钙钛矿/硅叠层太阳能电池中的宽带隙钙钛矿材料本身的调控上，创新点是通过调节钙钛矿中阴离子添加剂工程，达到了26.7%的高效率，这也是世界领先的水平。

《中国科学报》：这些工作有哪些不足之处?

李永舫：这3篇文章都没有特别关注如何解决钙钛矿太阳能电池的稳定性问题，报道的器件效率也都源自实验室的小面积器件，还没有把握能将这种技术应用到商业化硅太阳能电池中。

除了效率以外，还应关注稳定性、与现有硅太阳能电池生产工艺的匹配、工艺精简程度、材料成本，还有大面积太阳能电池的效率是否可以同步提升等。

《中国科学报》：中国科研工作者有什么经验可以借鉴?

李永舫：这种钙钛矿/硅叠层太阳能电池是进一步提升硅太阳能电池效率的有效手段，它可以结合传统硅电池成熟的生产技术优势，在其基础上对能量转化效率作进一步提升。目前中国在整个钙钛矿太阳能电池领域处于前沿水平，有一些公司已经开展了大面积器件制备和应用研究。但是，国内有关硅和钙钛矿叠层太阳能电池方面的研究不多。

国内相关研究者应该重视钙钛矿/硅叠层太阳能电池的研究。我国硅太阳能电池的生产技术水平在国际上处于领先地位，商业化硅太阳能电池的产量占全球产量的50%以上，应该在现有硅太阳能电池生产线技术基础上开发钙钛矿/硅叠层太阳能电池的生产技术，进一步提升商品化硅太阳能电池的光电转换效率。同时需要研究和解决叠加钙钛矿电池后形成的叠层器件对硅太阳能电池稳定性和寿命的影响问题。

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.aaz5074

https://doi.org/10.1126/science.aba3433

https://doi.org/10.1126/science.aaz3691