在瑞士，屋顶瓦片正逐渐被大型的黑色和蓝色矩形取代，这些矩形是太阳能电池板，它们将阳光转化为电能。这些蓝色来自硅晶体，因为目前大多数太阳能电池都是基于这种半导体材料。然而，硅并不是制造太阳能电池的唯一材料，甚至可能不是最佳选择。

硅基光伏电池的效率已经接近极限，理论上单晶硅电池的效率上限为33%。在实践中，由于在电池的制造和运行过程中不可避免会发生一些小的能量损失，这一数字会稍低一些。

这一难以逾越的效率限制源于硅的材料属性。所谓的硅带隙意味着只有具有一定能量的光子才能被转化为电能。如果光子的能量过高，它就不能被太阳能电池完全“利用”。

瑞士联邦材料科学与技术实验室的研究员付樊表示，使用其他材料制造的太阳能电池提供了克服这一限制的方法。付樊是薄膜和光伏实验室的团队负责人，正在研究由钙钛矿制成的高效太阳能电池。

单独的钙钛矿电池并不实现更高的效率，因为作为半导体的钙钛矿也有限的带隙。这种创新材料的真正优势在于，与硅不同，通过改变钙钛矿材料的确切组成，可以轻松调整这种带隙。

如果将两种具有不同带隙的钙钛矿加工成薄膜太阳能电池，并“堆叠”在一起，就形成了所谓的串联太阳能电池。一层钙钛矿“捕捉”高能光子，另一层捕捉低能光子。

理论上，这允许效率高达45%，远高于单结电池的33%。或者，也可以在硅电池上添加一层钙钛矿，以创建高效的串联电池。

然而，付樊及其团队目前正在专注于全钙钛矿串联电池，特别是在欧盟研究项目SuPerTandem中，该项目共有15个欧洲领先的研究机构和公司参与。该项目的目标是开发效率超过30%的灵活钙钛矿串联模块，这些模块也可以使用可扩展且成本效益高的过程生产。

钙钛矿太阳能电池的另一个优势是：“硅太阳能电池通常需要在高温下生产的高纯度单晶硅，”付樊解释道。“另一方面，钙钛矿薄膜可以通过印刷、溶液处理或蒸汽沉积以非常低的CO2足迹生产。在过程中发生的小缺陷对它们的光电性能只有微小的影响。”

像SuPerTandem这样的项目潜在的好处是显著的，因为效率越高，太阳能电力的最终成本就越低。“电池本身只占光伏系统成本的不到20%，”付樊说。“剩余的80%由电缆、逆变器、接线盒以及当然还有安装所涉及的劳动力构成。”

如果提高单个电池的效率，那么对于相同的电力输出，一个更小且因此更实惠的光伏系统就足够了。由钙钛矿制成的薄膜电池也可以在轻质柔性薄膜上生产，而不是像硅电池那样在重型刚性玻璃板上生产。这意味着它们也可以在更多的地方使用，例如在汽车车顶或承重能力较低的建筑物上。

付樊的团队现在正在利用钙钛矿太阳能电池的潜力。除了SuPerTandem项目外，付樊的团队还正在从事两个瑞士项目。瑞士联邦材料科学与技术实验室的研究人员正在努力更好地理解钙钛矿太阳能电池的基本属性和挑战，这些属性和挑战有助于提高它们的效率和稳定性。在与瑞士联邦能源办公室（SFOE）的一个项目中，他们正在将瑞士联邦材料科学与技术实验室已经开发的串联电池进行规模化生产。

我们需要做些什么来确保我们屋顶上的黑色和蓝色矩形被红褐色的钙钛矿薄膜加入？“首先，我们必须将钙钛矿电池从目前的几厘米的原型扩大到工业尺寸，”付樊说。这些仍然有些脆弱的电池还需要有效地保护免受天气的影响。

付樊对在未来五到十年内实现这两个目标持乐观态度。“我们正在取得良好的进展，并且行业对此非常感兴趣，”这位科学家说。“研究人员对基于钙钛矿的太阳能电池的研究才刚刚进行了近15年。相比之下，对硅电池的研究已经进行了近70年。”

这项研究不仅展示了钙钛矿太阳能电池的潜力，也为未来的太阳能技术发展提供了新的方向。那么，您如何看待钙钛矿太阳能电池在未来能源领域的应用前景？您认为这种新型太阳能电池将如何影响我们的能源使用和生产方式？欢迎在评论区分享您的想法，与我们共同探讨这一激动人心的技术进步。

参考资料：Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology 《Light, flexible, efficient: Perovskite-based tandem solar cells》