据中国激光杂志社网，于2024年03月26日报道，近期，两会发布的《2024年国务院政府工作报告》提到，以光伏产品为代表的商品，出口量较去年而言，有了近三成的增长。光伏产品是什么，国内有哪些先进的光伏技术？以低成本钙钛矿材料为代表的未来光伏材料将如何支撑光伏产业向前发展？今天，让我们跟随这篇文章深入了解。
光伏产品为何成为“天选之子”
作为人类文明进步的基础和动力，能源发展始终是各国重点关注的战略问题。作为世界上最大的能源生产消费国和能源利用效率提升最快的国家，我国也一直在努力探索可持续、高质量绿色发展之路。根据国家能源局公布数据，2022年时，我国光伏及风力发电总量，已接近全国城乡生活用电总量；今天的中国，也成功拿下世界光伏**机容量、光伏发电量以及光伏电池产量三科冠军。
尽管可能有着不同的外观形态，但各类光伏产品技术核心相同：光生伏特效应。在光照时，光伏材料内部载流子会发生定向移动，进而在材料表面形成电势差，若通路存在，它便能够源源不断向外界传输电能。最传统、也是应用最多的光伏材料，莫过于硅基一系，其中包括单晶硅、多晶硅以及非晶硅等。上世纪五十年代起，硅基太阳能电池就走进了人类的生活，其能量转换效率也在不断提高。尽管目前商用硅基太阳能电池的能量效率已十分可观，但其制备时所需晶硅的极高纯度要求，也大大增加了电池的生产成本。
在硅基太阳能电池大行其道之时，许多科学家开始试图去寻找到一种能够在能量转换率上超越传统硅基材料，并且拥有显著成本优势的新型光伏材料。2009年，日本科学家Tsutomu Miyasaka首次在钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 中实现了光伏发电，尽管当时实现转换效率仅为3.8%，但科学家们并未放弃一切的技术尝试。仅经历了十年的发展，PSCs的转换效率便突破了25%的技术大关；用十年时间走完硅基材料七十年发展的漫长道路，钙钛矿用不断刷新的纪录，证明了它在新时代清洁能源领域应用发展的巨大潜力。而与钙钛矿材料相关的优秀成果，也从未缺席中国激光杂志社所发起的“中国光学十大进展”：2019年，华中科技大学唐江团队研制出高效稳定非铅卤化物双钙钛矿，突破了单基质白光荧光粉研究近半个世纪的效率瓶颈；2020年，来自南京大学的谭海荣团队，则研制出了大面积全钙钛矿叠层太阳能电池，刷新了大面积钙钛矿太阳能电池的世界记录效率；除了转换效率，钙钛矿太阳能电池的制备技术也受到科技工作者的关注，2021年，北理陈棋、北大周欢萍团队，摸索出一种液体介质退火技术，通过该技术制备的钙钛矿材料，拥有更高的晶化度、更低的缺陷浓度以及可控的合成过程；2022年，来自浙大的狄大卫、赵保丹团队，首次实现了超高稳定性的钙钛矿发光二极管(LED)，解决了领域内重要难题。
以光生电，钙钛矿竟有万般“玩法”
钙钛矿是一种早在1839年被德国矿物学家发现的天然矿石材料，其化学通式为ABX3。由于最早被发现的是一种钛酸钙 (CaTiO3) 化合物，因此这种材料也被统称为“钙钛矿”。作为太阳能电池光吸收层，当吸收光子能量时，钙钛矿材料内部电子会因受到能量激发而脱离束缚，发生定向迁移；由于有着较小的带隙宽度，卤化物钙钛矿材料能够吸收更宽波段的光子能量，实现更高的转换效率。
根据理论计算，研究人员得知PSCs (1.53 eV) 转换效率极限约为31.34%；而目前能够通过实验实现PSCs转换效率已达到了26%的水平，尽管仍与极限数值存在差异，但随着研究的进一步深入，该差距必定会缩减。就在去年11月，来自中科院合肥物质科学研究院固体物理研究所的潘旭团队，成功制备出了“均匀化”的钙钛矿太阳能电池，将PSCs转换效率的极限更新至26.1%的新高度。
PSCs与硅基太阳能电池类似均是 “三明治”结构，而硅基太阳能电池中的N型及P型半导体，则分别由电子传输层 (ETL) 及空穴传输层 (HTL) 代替；若根据ETL和HTL位置分布，则可将PSCs划分为正置 (n-i-p, ETL-钙钛矿-HTL)与反置 (p-i-n, HTL-钙钛矿-ETL) 式两种，一般而言，p-i-n制备容易，性能稳定，是钙钛矿器件研制中应用较多的技术，但其转换效率与n-i-p相比略差一筹（约1~2%），如何提升反置结构PSCs光电转换效率，是各国研究人员考虑的难点问题。除了单结钙钛矿电池外，研究人员还创造性地提出了叠层PSCs结构，其中包括但不限于晶硅/钙钛矿叠层电池、全钙钛矿叠层电池、薄膜材料/钙钛矿电池等；通过对光子能量的高效吸收，叠层结构有望将钙钛矿电池的转换效率进一步提升至40%-50%。
日新月异，钙钛矿的“科学版图”正在飞速扩张
在能源领域所取得的科技成就，让研究人员看到了钙钛矿优秀的光电特性及可调控的丰富物性，这带动了钙钛矿在其他领域内的不断发展。如图7所示，以LED、光电探测器、激光器等为代表的研究，都是在近年来被验证能够与钙钛矿进行高效交叉结合的技术前沿。中国激光杂志社也报道了许多前沿进展，记录、见证着钙钛矿领域研究的跨越式进步。
近年来，更高效率LED器件的研制一直是研究人员关注的重点，而与蓝光PeLED相关的研究依旧落后。为有效攻克PeLED所面临发光效率、相纯度以及稳定性不足等的“三座大山”，来自韩国延世大学的研究人员通过优化制备技术，获得了深蓝光、纯相的准二维Ruddlesden-Popper钙钛矿 (2D-RPP)，有效改善了载流子传输、转移机制，获得了峰值波长437 nm，峰值EQE 0.63%，光谱稳定性良好的深蓝光PeLED，相关工作发表于2023年第1期的Advanced Photonics上。
在光电探测器的研究领域，器件自供能和偏振敏感等特性，都是研究人员所希望获得的。然而，基于单组分活性层的光电探测器很难同时满足所有这些要求。针对传统无机半导体的横向异质结制备方法难以直接应用于对溶剂和环境敏感钙钛矿材料，以及钙钛矿横向异质结制备过程中的溶剂正交性等问题，吉林大学夏虹团队设计并提出了一种选区阴离子交换的方案，制备高质量的钙钛矿微线横向异质结构。得益于高的晶体质量和完美缝合的异质结界面，所制备的光电探测器件表现出748 AW-1的响应度（R）和8.2×1012 Jones的检测度（D）。此外，该器件还展示了很高的偏振敏感性，二向色性比为5.6。相关研究成果发表于2023年发表于Photonics Research第12期。
由于具备较强的光学增益特性，具有规则形状的钙钛矿能够作为增益介质制成微纳激光器。自应用到激光领域以来，具有不同形貌的钙钛矿晶体的激光性能已被广泛报道，如钙钛矿量子点、纳米线、纳米片激光，分别表现出不同的激光模式。来自国科大杭州高等研究院冷雨欣、杜鹃研究团队，曾发表重磅综述论文，详细介绍了卤化铅钙钛矿的最新研究进展，包括制备策略、结构调控及微纳激光应用等方面的进展，该论文发表于2021年发表于Advanced Photonics第3期。
小结与展望
相信随着相关技术领域研究不断取得进展，以钙钛矿材料为代表的光伏产品，在不久的将来以新面貌助力我国科研事业不断登上新的高峰。我们也期待与钙钛矿相交叉的科学技术领域，涌现出更多令人惊喜的科技成果。
