鈣鈦礦太陽能電池，這項被Science評為2013年十大科技進展之一的新能源技術，因為陳煒博士及其合作者的最新突破，終于接近產業化。。。

華中科技大學武漢光電國家實驗室陳煒副教授在訪問日本國立物質與材料研究院（NIMS）期間，在鈣鈦礦薄膜太陽能電池研究領域取得重要進展。基于P-i-N反式平面結構、通過優化界面工程，全面解決了鈣鈦礦太陽能電池高效率、遲滯現象、器件穩定性、大面積器件均勻性和一致性等重要問題，首次在國際權威太陽能電池認證機構——日本產業技術綜合研究所（AIST）認證成功大面積（>1cm2）鈣鈦礦太陽能電池國際最高效率（15%），首次將大面積鈣鈦礦太陽能電池寫進權威太陽能效率記錄表《Solarcellefficiencytables（Version46）》。這一最新成果的相關論文今日在Science同步上線發表，論文通訊作者為NIMS韓禮元教授和瑞士聯邦理工學院MichaelGratzel教授。

太陽能取之不盡、用之不絕，規模化利用清潔、可再生的太陽能關于優化能源消費結構、減少環境污染和全球溫室效應的意義十分重大。現在已經市場化的光伏技術包括第一代晶體硅太陽能電池、第二代CIGS、CdTe薄膜太陽能電池，盡管每年以30%的速度高速成長，但其總裝機發電量仍不足全球總能耗的1%。尋找新一代更廉價、更高效的光伏技術是太陽能利用的一個永恒命題，關系到未來太陽能在多大程度上取代化石能源。

鈣鈦礦太陽能電池是最近3年才出現的光伏技術，其效率記錄提升的速度十分迅猛。目前韓國KRICT報道的鈣鈦礦太陽能電池效率達到20.1%，遠遠超過其他類型的新概念太陽能電池，幾乎與發展數十年的CIGS等薄膜太陽能電池相當，而且將來仍會有很大的提升空間。見美國可再生能源實驗室（NREL）編纂的最新效率記錄表（圖1）。

圖1.歷年來各類型太陽能電池效率記錄（NREL編纂）

此外，鹵化物鈣鈦礦材料AMX3（A=CH3NH3+，NH2-CH=NH2+，Cs+等；M=Pb2+，Sn2+，Ge2+，Co2+，Fe2+，Mn2+，Cu2+，Ni2+，Bi3+等；X=Cl-，Br-，I-等）具有原料豐富、成本低廉、光電性質優越、可溶液加工、可低溫制備（<150℃）等特點和優勢，使得鈣鈦礦太陽能電池的制造成本有望達到目前晶體硅太陽能電池的1/3-1/5。

顯著的效率和成本優勢有望推動鈣鈦礦太陽能電池在未來跨過商業化門檻，分享乃至顛覆未來的光伏市場。但是，盡管前景樂觀，仍有幾朵烏云籠罩在鈣鈦礦太陽能電池真正走向商業化的路途上。正如美國可再生能源實驗室光伏認證中心負責人KeithEmery博士和澳大利亞新南威爾士大學MartinGreen教授今年年初發表公開評論所說：（1）鈣鈦礦太陽能電池普遍存在穩定性問題，很多電池在測試的過程中就發生了衰變，因此很多文獻報道的鈣鈦礦電池高效率都無法通過第三方認證，其真實性都值得懷疑；（2）鈣鈦礦太陽能電池普遍存在遲滯現象，即IV測試正反掃測得的結果存在明顯的不一致。很多論文僅報道其中一種掃描方式得到的可能是高估的實驗結果。KeithEmery和MartinGreen領導著國際上最權威的太陽能電池認證中心，他們對鈣鈦礦太陽能電池的負面意見表明原先的鈣鈦礦電池技術可能存在嚴重缺陷，這也可能是為何迄今為止，除了Newport公司認證的小面積（<0.1cm2）鈣鈦礦太陽能電池得到了認證數據外，其他國際權威認證中心在鈣鈦礦電池方向集體失聲的原因。據了解，日本AIST（5家國際權威認證中心之一）檢測過多家研究單位送檢的鈣鈦礦太陽能電池，驗證得到的器件性能與基于實驗室所得數據的預期值相差較大。這也是為何在我們于AIST認證成功大面積（>1cm2）鈣鈦礦電池15%效率之前，權威的《SolarCellEfficiencyTables》中鈣鈦礦太陽能電池處于空缺狀態的原因。

我們通過測試數萬條IV曲線，在比較了幾種最常見的鈣鈦礦太陽能電池結構以后，發現P-i-N反式平面結構電池更容易消除遲滯效應。電池結構如圖2所示。我們通過執行成功的界面工程，以穩定、高導電、能帶調控的重摻雜型無機界面材料在電極附近分別抽取電子和空穴，并在大面積范圍內控制消除界面缺陷。這樣做的結果是：（1）該電池表現出迄今為止各類鈣鈦礦太陽能電池中最佳的填充因子達0.83，開路電壓接近1.1V，小面積（0.09cm2）電池的效率提升到18.3%，大面積（1.02cm2）電池的效率達到16.2%；（2）無論是小電池還是大電池，其IV測試的遲滯效應都非常小，并且多批次數十個電池都表現出很好的工藝可重現性和器件性能的高度一致性（圖3）；（3）器件表現出迄今為止各類型鈣鈦礦太陽能電池有報道以來最好的穩定性，1000小時持續光照老化前后的性能衰減<10%。PCBM的疏水性質和無機界面層的化學穩定性對鈣鈦礦層起到了保護用途。我們這種反式結構設計排除了其他由不穩定界面材料帶來的干擾，將鈣鈦礦太陽能電池性能衰變的原因都集中到鈣鈦礦材料本身，可以在最大程度上真實反映鈣鈦礦太陽能電池的穩定性到底如何。意外的是，初步加速老化的測試結果幾乎是令人滿意的，多塊電池樣品老化前后的效率衰減均不到10%（圖4）。

圖2.基于重摻雜無機界面層的反式P-i-N平面結構鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖