研究人员展示了一种制造钙钛矿电池的新方法，这一突破对于下一代光伏技术的商业化具有重要意义。（科罗拉多大学博尔德分校）
光伏行业即将迎来变革。科研人员纷纷使用新材料开发新型光伏电池，以提升电池板的光电转换率。
科罗拉多大学博尔德分校的一名研究员与其国际研究伙伴在《Nature Energy》期刊上发表了一篇论文，介绍了一种制造新型光伏电池（钙钛矿电池）的新方法。这一突破对下一代光伏技术的商业化具有重要意义。
目前，几乎所有的光伏电池板都是由硅制成的。这些硅基电池板的效率为22%，这意味着它们只能将约五分之一的太阳能转化为电能，因为硅只能吸收部分波长的太阳光。不仅如此，硅的生产成本高昂而且能耗巨大。
一种解决方案是使用钙钛矿。这种合成半导体材料有望在降低生产成本的基础上大幅提高光电转换率。
Michael McGehee（科罗拉多大学博尔德分校）
科罗拉多大学博尔德分校化学与生物系教授兼可再生与可持续能源研究所研究员Michael McGehee表示，“钙钛矿可能引发行业变革。”
长期以来，科研人员一直在测试钙钛矿光伏电池的性能。具体方法是将它们堆叠在传统硅电池的顶部，制成串联电池。通过将这两种可吸收不同波长太阳光的材料分层叠放，可以将电池效率提高50%以上。
McGehee指出，“电气化进程正在迅速推进，而且电动车的普及率正在不断提高。我们希望帮助淘汰更多燃煤电厂，并最终淘汰天然气电厂。要想实现未来100%可再生能源发电的目标，就必须将当前风电和光伏发电市场的规模至少扩大5到10倍。”
他表示，要实现这一目标，业界就必须提高光伏电池的效率。
然而，钙钛矿的商业化面临一个重大挑战：该半导体材料必须涂覆到电池板的玻璃基板上。目前的涂覆过程必须在充满非反应性气体（如氦气）的手套箱中进行，以防止钙钛矿因氧化反应而造成性能下降。
McGehee和他的研究伙伴开始着手寻找防止钙钛矿氧化的解决方案。他们发现，在涂覆过程前向钙钛矿溶液中添加甲酸二甲基胺（DMAFo）可以防止该材料氧化。这一发现使涂覆过程可以在开放环境中进行，而无需在手套箱中操作。实验证明，在使用DMAFo添加剂后，钙钛矿电池本身的效率可达到近25%，这与目前钙钛矿电池的最高效率记录（26%）相当。不仅如此，该添加剂还提高了钙钛矿电池的稳定性。
以下是《Tech Briefs》对McGehee的独家专访。为了让表述更加清晰简洁，我们对访谈内容进行了编辑。
Tech Briefs：你们在添加DMAFos的过程中面临的最大技术挑战是什么？
McGehee：我们面临的最大挑战是在开放环境中制造钙钛矿光伏电池。这一问题已经存在多年了，而我们的解决方案就是使用甲酸二甲基胺（DMAFo）添加剂。甲酸盐是一种能防止碘化物氧化的还原剂，而且它还是一种阴离子，因此需要一种阳离子与之结合，以平衡电荷。与此同时，我们不希望改变钙钛矿的本身结构，也不希望阳离子进入钙钛矿晶体结构。在这种情况下，二甲基胺就是一种很好的选择，因为它的分子相对大，不会进入钙钛矿晶体结构。总之，当时我们当时的想法是：首先需要找到一种还原剂，甲酸盐是一种很好的选择；然后，需要将其与“大”阳离子结合以平衡电荷。
串联光伏电池的结构（科罗拉多大学博尔德分校）
Tech Briefs：能否简单介绍下你们团队制造钙钛矿光伏电池的过程？
McGehee：首先将钙钛矿前驱体盐溶液进行旋转，在旋转过程中溶剂会慢慢蒸发并形成一层钙钛矿薄膜。当溶剂全部蒸发后，就会形成钙钛矿晶体结构。这就是钙钛矿光伏电池的通用制造方法。虽然该电池结构还包括其他层，但钙钛矿晶体层最受关注。
问题在于，绝大多数研究人员都是在充满氦气的手套箱中进行这项工作的。想象一下，研究人员必须向一个宽近两米、深两到三英尺且带有大型橡胶手套的手套箱内泵送氮气，并过滤掉所有的氧气和水分，还要戴上手套，在箱内完成所有的工作。在研究阶段还好，但如果进入量产阶段后还要在那种环境下完成所有工作，成本就太高了。因此，如果能使钙钛矿不与氧气和水发生反应，就可以在开放环境下操作，从而提高研究的便利性并降低生产成本。
另一个问题是，如果你制备了一种溶液，但这种溶液的保质期仅为数小时。随后溶液中的某些化学物质就会与钙钛矿前驱体发生反应，迫使你不得不重新制备新的溶液。这不仅会带来极大的不便，还会造成大量浪费。因此，最好能延长保质期。在某些情况下，化学公司乐于向客户出售已溶解的瓶装盐溶液。然而要实现这一目标，就必须确保溶液具有较长的保质期。这样化学公司才能将它们运送给客户，并确保它们在数周内保持稳定性。DMAFo添加剂延长了溶液的保质期，这对电池制造具有积极意义。
Tech Briefs：我在你们的论文中看到，“研究团队正在积极开发实际效率超过30%且使用寿命与硅电池板相同的串联电池。”能否分享下你们取得了哪些新的进展？
McGehee：我们从大约十年前就开始进行这项研究，目前已经取得了巨大的进展。目前钙钛矿-硅串联电池的最大效率为33.9%，作为参考，硅单体电池的最大效率为26.9%，因此钙钛矿将效率提升了7个百分点。也就是说，钙钛矿-硅串联电池的效率远超过年产值为300亿美元的硅电池。因此，可以这样想，钙钛矿显著提高了电池性能。尽管如此，钙钛矿串联电池还尚未实现量产。
目前领先的钙钛矿电池企业包括Oxford PV和Swift Solar。Oxford PV的研发中心位于英国牛津，生产基地位于德国勃兰登堡。Oxford PV具备全尺寸硅晶片涂覆技术，并且已经制造出全尺寸电池板。而美国公司Swift Solar也在研发钙钛矿电池（坦白讲，我是这两家公司的顾问），然而目前它们都尚未实现量产。
或许你会想知道为何还没有实现量产。尽管两家公司的产品性能良好并通过了稳定性测试，但它们仍在努力优化试验生产线，因为还有一些问题需要解决。不过，这项技术已经取得了很大进展而且拥有广阔前景。
Tech Briefs：你们的论文还提到，这项研究推动了下一代光伏电池的商业化。你估计，还有多久能实现商业化？
McGehee：我认为Oxford PV可能在1-2年内实现小规模生产。当然，生产规模不可能在1年内实现从零到1GW的突破，但该公司已经在室外测试电池板的性能了。
如果Oxford PV明年的装机容量达到20、30或40kW，也在意料之中。我认为他们在1-3年内会实现小规模生产。
Tech Briefs：对于那些想要将想法转化为实际成果的工程师或研究人员，您有什么建议呢？
McGehee：了解自己擅长的领域、自身能力和不足之处，并积极寻求帮助。最重要的是，要与优秀的人合作，因为如今很多研究工作都无法单独完成，而需要团队合作。
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