寻找可持续能源
政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 于 2022 年初发布的最新报告让人们清醒地认识到：全球现在有 35 亿人非常容易受到气候变化的影响——经常遭受缺水、酷暑或严重洪灾 [2]。该报告警示我们，持续的全球变暖（气温在短期内上升1.5°C）将导致多种气候危害不可避免地增加，并给生态系统和人类带来多重风险 [2]。我们迫切需要找到可持续的能源生产方式，以便不再使用化石燃料。
太阳是我们太阳系中最丰富的能源。然而，全球发电量中目前只有 2% 来自太阳能 [3]。科研人类面临的挑战之一是开发能够吸收阳光并以非常高效的方式将其转化为电能的材料。
2021 年，我们与《经理人杂志》一起，向斯图加特大学和于利希研究中心的 Michael Saliba 博士兼教授颁发了一项“好奇精神奖”，以表彰他在钙钛矿太阳能电池方面的突出贡献，他最近在该领域创下了一项新的能效世界纪录。自 2009 年被发现以来，钙钛矿以前所未有的速度进一步发展，这种材料在可持续能源和半导体行业转型方面展现出巨大前景。
您知道么？
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2%
的发电量来自太阳能 [3]
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1
小时的阳光可为地球提供电力一整年 [1]
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25%
的效率是钙钛矿电池创下的世界纪录 [5]
产品新成员上线：钙钛矿
太阳能电池是一种通过光伏效应的现象将光能转化为电能的装置。大多数太阳能电池由硅制成，它们被组装在一起形成光伏组件，也是我们通常所知的太阳电池板。
2009 年，人们发现了一种新的光伏材料，即一种所谓的钙钛矿半导体，其最初的功率转换效率 (PCE) 只有 3.8% [4]；但经过快速发展，这种材料的PCE创造了世界记录，达到了 25.7% [5]，这是材料科学的一次前所未有的飞跃。
这种高性能归因于钙钛矿材料的特殊性质，例如其在可见光谱上的高吸收率。这为高精密太阳能电池、激光器或小型光传感器创造了巨大前景。
与其他需要在纯净、清洁环境中制造的半导体材料不同，钙钛矿可在较原始的环境中通过简单、低廉的溶液处理来生产，并且仍可生产出具有出色性能的半导体。例如，可在弯曲的箔片上加工，以生产灵活、轻巧和便携的太阳能电池，从而实现多种新的应用，例如将太阳能电池整合到衣服中，用于为手机充电。
另一项优势是钙钛矿材料可用在半导体夹心结构中，以便与现有的太阳能电池一起使用。Saliba 解释道：“例如，如果半导体底部有一个硅电池，顶部有一个钙钛矿电池，钙钛矿电池可利用太阳光谱中的蓝光，但对红光是透明的，而底部的硅电池在将红光转化为电能方面效率很高。将它们结合使用可让太阳能电池利用更多的阳光并将之转化为可持续的电力。”
Saliba 说道：“问题在于，这能否带来颠覆性改变，让我们超越目前的太阳能发电——为我们的可持续能源未来提供全球 40%、50% 或甚至 100% 的电力？但要发掘钙钛矿材料的潜力，我们需要找到一种使其保持稳定的方法，这一直是该领域的一项重大挑战。”
电气化潜力
钙钛矿是由一价阳离子 (A)、二价金属 (M) 和阴离子（通常是卤化物 (X)）组成的任何材料，分子式为 AMX3。它们最简单的形式（如具有单一阳离子）难以始终保持在最高效率。
这些材料也很敏感，在接触水分、热源甚至阳光时会降解，这对于需要在这些条件下工作的太阳能电池来说还远不够理想。具体而言，一些配方结晶成对溶剂或湿度敏感的光不活性、非钙钛矿“黄色相”或光活性钙钛矿“黑色相”。Saliba 的团队已着手克服这一挑战，将钙钛矿从一个有前景的学术发现转化为可在工业环境中实际使用的材料。
他们的关键成果之一是一种新的钙钛矿结构，可在高温下保持性能。在一项研究中，他们通过使用三重阳离子混合物实现了这点，其中除了甲脒 (FA) 和甲基铵 (MA) 外，他们还使用了铯。添加少量的铯足以防止络合物转变为光不活性“黄色相”，并且在处于操作条件下（包括温度波动、溶剂蒸气和加热方案）250 小时后，使用所有三种阳离子得到了超过 21% 的稳定 PCE [6]。
在第二项研究中，添加铷进一步提高了性能 [7]。含铷和铯的聚合物涂层钙钛矿太阳能电池在 85°C 及全光照下保持其初始性能的 95% 达 500 小时。
“我们仔细筛选后发现，第一周期族中的碱金属，如铯和铷，对替换部分有机成分和在高温下稳定整个材料非常有帮助。”Saliba 表示，“但我们的第二个发现是，太阳能电池由几层组成，如果不精心设计，它们会相互产生负面影响。”
钙钛矿太阳能电池的这一致命弱点源于“空穴传输”材料，即这些层中的一层。它从活性阳光吸收材料（钙钛矿）中提取正电荷，并将其传输到电极。最常用的空穴传输材料在高温下具有渗透性，并允许金属电极（传输电流所需）渗入并破坏钙钛矿层。为了防止这种情况，Saliba 的团队通过分子工程设计了一种新的空穴传输材料，并将其用作缓冲层，以防止金属浸出。这种材料不仅可在长期高温下保护钙钛矿，还可溶解于更环保的溶剂中，成本约为原材料价格的五分之一 [8,9]。
快速进步的材料
“现在，我们已经找到一种稳定钙钛矿电池的方法，对工业的潜在影响巨大。”Saliba 说道，“例如，对于硅电池厂，我们只需在装配线上再增加一个项目。这样可在成本略有增加的情况下提高整个太阳能电池的效率。我们正在为工业创造经济差异，同时为地球做一些有益的事情。”
钙钛矿太阳能电池在其他应用上也展现出潜力。例如，如果能够制造重量轻的薄太阳能电池，意味着这些电池可出口到阳光充足的发展中国家，让这些地区可从自主能源生产中受益。作为半导体，钙钛矿电池可用于多个其他领域，例如用作存储用的硬盘驱动器或光电探测器，并且已在探索将它们用作 LED 材料。
“关于太阳能电池研究需要了解的一件事情是，我们的大气最近已经超过 400 ppm 的二氧化碳浓度阈值，这意味着随着时间流逝，地球正在升温。我们需要停止使用化石燃料，并向可再生能源过渡。”Saliba 说，“没有其他材料能像钙钛矿一样迅速发展。硅用了 40 多年才获得与之类似的效率。我们希望这一前所未有的创新也能迅速推广到其他领域。如果希望能够在未来十年内应对升温，我们就需要这种颠覆性的技术。”
“如果没有青年研究人员的创新理念，我们时代的任何挑战都无法得到解决。无论是可持续的技术、未来的生物科技，还是对 人工智能驱动的解决方案的研究，所需要的都是好奇精神。通过好奇精神研究者奖，我们希望表彰这项开拓性的工作。”
创意人才奖
Saliba在领奖时表示：“这一认可是一种巨大鼓励，表明可再生能源的研究和现实具有高度相关性。颁奖活动还为我们今后的合作带来了宝贵的反馈和人脉。最重要的是，光伏研究所团队的巨大努力和持续工作得到了回报。我很荣幸能与背景如此丰富、积极性如此高的研究人员一起工作。”
我们的承诺
2012 年，联合国制定了 17 个可持续发展目标 (SDG)，以应对全球面临的环境、政治和经济方面的迫切挑战。3 年后，所有成员国都采纳了这些目标。我们承诺，我们的工作将有助于实现这些宏伟的目标。Michael Saliba 在钙钛矿太阳能电池方面的杰出工作符合“目标 7 - 确保所有人都能获得经济、可靠、可持续的现代能源；目标 7.2：到 2030 年，通过为多功能、低成本、便携式太阳能设备铺平道路，大幅提高可再生能源在全球能源结构中的份额
深入了解参考文献
[1] Mertens, K. Photovoltaics Fundamentals, Technology and Practice. (2018; second edition) Wiley. ISBN: 9781119401049
[2] Intergovernmental Panel on Climate Change, 2022. Climate Change 2022: Impacts, Adaptation and Vulnerability. [online] Available: https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg2/downloads/report/IPCC_AR6_WGII_SummaryForPolicymakers.pdf
[3] https://ourworldindata.org/renewable-energy
[4] Kojima A, Teshima K, Shirai Y, Miyasaka T. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells. J Am Chem Soc. 2009;131(17):6050-6051. doi:10.1021/ja809598r
[5] National Renewable Energy Laboratory, Best Research-Cell Efficiencies chart; https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html
[6] Saliba M, Matsui T, Seo JY, et al. Cesium-containing triple cation perovskite solar cells: improved stability, reproducibility and high efficiency. Energy Environ. Sci., 2016,9, 1989-1997. doi: 10.1039/C5EE03874J
[7] Saliba M, Matsui T, Domanski K, et al. Incorporation of rubidium cations into perovskite solar cells improves photovoltaic performance. Science. 2016;354(6309):206-209. doi:10.1126/science.aah5557
[8] Saliba, M., Orlandi, S., Matsui, T. et al. A molecularly engineered hole-transporting material for efficient perovskite solar cells. Nat Energy 1, 15017 (2016). doi.org/10.1038/nenergy.2015.17
[9] Matsui T, Petrikyte I, Malinauskas T, Domanski K, Daskeviciene M, Steponaitis M, Gratia P, Tress W, Correa-Baena JP, Abate A, Hagfeldt A, Grätzel M, Nazeeruddin MK, Getautis V, Saliba M. Additive-Free Transparent Triarylamine-Based Polymeric Hole-Transport Materials for Stable Perovskite Solar Cells. ChemSusChem. 2016 Sep 22;9(18):2567-2571. doi: 10.1002/cssc.201600762.
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