环保型有机-无机杂化钙钛矿及其衍生物的研发和应用——研究进展,机遇和挑战

能源危机和环境污染成为了21世纪人类所面临的两大重要挑战。从根本上看,化石燃料为核心的社会能源结构是导致这些问题的主要原因,也是制约经济社会可持续发展的一个主要因素。作为目前最有潜力的清洁能源,太阳能取之不尽且易于开发利用,有望帮助人类解决目前面临的严峻挑战。从原理上来说,太阳能电池可以很方便地把太阳能直接转化为电能,满足人类生活及生产所需。同时,相对于其它光伏技术,这类光电器件可以有效地减少能量中间转换过程所带来的损失。因此,如何低成本、高效率地利用好太阳能成为了过去几十年以来人类孜孜以求的梦想。目前,基于晶体硅的太阳能电池是现有商业化太阳能电池的主流产品,并在过去的几十年间已取得了较大进展。然而,虽然基于晶体硅的太阳能电池展现了较高的光电转换效率,但是这一技术的生产工艺复杂,成本高且成本回收周期长,仍具有一定的局限性。因此,在太阳能电池研究领域里,世界各地的科学家和工程师们都在继续研发工艺更简单,成本更低且更高效的新型太阳能电池。

近几年以来,钙钛矿太阳能电池成为了新一代太阳能电池中重要研究热点之一。因其简便的溶液加工工艺,该类太阳能电池的成本低廉且富有商业化前景。另外,这类电池已经在短短几年时间内突破了22%的光电转换效率,在光电转换效率上已经可以媲美基于晶体硅的太阳能电池。基于成本和性能两大优势,这一技术很有希望取代硅基太阳能电池成为下一代商业化光伏器件,并最终实现低成本、高效率太阳能发电。除了在太阳能电池上的应用,有机-无机杂化金属卤化物钙钛矿材料还可以被广泛地应用在许多其它领域,如激光器、发光二极管、记忆存储器件、光催化、光探测器和X-射线探测器等。目前高性能的钙钛矿太阳能电池主要是基于含铅的卤化物钙钛矿材料(CH3NH3PbX3, X=Cl, Br或I)。由于铅具有毒性,该类太阳能电池的商业化仍被限制。然而,金属卤化物钙钛矿材料是很庞大的一个材料家族,包含了成千上万种尚未系统研究或开发的潜在材料。这些杂化的钙钛矿材料及其衍生物中有一大部分材料都与含铅的卤化物钙钛矿一样,成本低、来源丰富、毒性低且可以通过简单的溶液化学法制备高质量的晶体涂层。

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因此,许多研究人员近年来都致力于开发低毒性的有机-无极杂化金属卤化物钙钛矿及其衍生物,从而替代在太阳能电池中主流的含铅钙钛矿材料,进一步推动该电池的商业化进程。迄今为止,低毒性钙钛矿材料的研发不仅在太阳能电池中取得了一系列重要进展,而且已经在许多其它研究领域中崭露头角。因此,系统而全面地综述这一领域的研究现状和挑战对有效地促进该领域的快速发展大有裨益。有鉴于此,来自澳大利亚昆士兰大学王连洲教授课题组的吕妙强等人系统地总结了近年来在解决有机-无机杂化钙钛矿中铅的毒性领域所取得的最新研究进展,比较了各种低毒性的卤化物钙钛矿材料及其在太阳能电池中应用的优缺点。除去已报道的低毒性卤化物钙钛矿材料,该工作还总结了理论上预测的其它极具潜力的候选材料。最后讨论了低毒性的金属卤化物钙钛矿材料在其它领域的潜在应用,如发光二极管、记忆存储器件、场效应晶体管和储能电池等。他们相信低毒性的钙钛矿材料的研发和应用可以为低成本和高效率太阳能电池的商业化提供一个很有潜力的解决方案,进一步为人类提供源源不断的清洁能源;这些新兴的功能材料也必将给其它领域带来新的突破和进展。工作已在线发布于Advanced Energy Materials(DOI:10.1002/aenm.201602512)上。