隨著人類社會的不斷發(fā)展，人們對能源的需求日益增長。然而隨著石油、天然氣、煤礦等不可再生能源的不斷消耗，傳統(tǒng)化石能源已接近枯竭。從二十世紀七十年代第一次石油危機的爆發(fā)開始，可再生能源備受人們的關注，如風能、太陽能、地熱能和潮汐能等。其中，太陽能作為一種永不枯竭的綠色清潔能源，得到了廣泛的科學研究。

目前人們對太陽能的利用主要分為光熱轉換和光電轉換這兩種方式。其中光熱轉換是目前最常用的手段，通過吸收、反射等各種方式將太陽輻射能量集中起來，從而轉換成溫度，以滿足各種不同的需求，如太陽能熱水裝置、溫室、蒸發(fā)池等。光電轉換的原理是通過光生伏打效應使太陽能轉化為電能，光生伏打原理即是指當半導體材料接收太陽光照吸收光子能量，從而其內(nèi)部的電荷分布發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電動勢和電流。根據(jù)美國國家能源部公布的最新數(shù)據(jù)顯示，太陽電池效率可以高達46%。而最新的研究前沿是將太陽能轉化為化學能，利用半導體材料吸收光照，催化產(chǎn)生氫氣，得到可燃燒的清潔能源，但是目前的研究還不完善，還需要進一步的發(fā)展。

圖1.太陽能電池實物圖

圖2.美國國家能源部可再生能源實驗室NREL太陽能電池效率表(2019)

早在1883年，Charles Ffitts利用硒半導體制備了首個太陽能電池，器件的轉換效率僅為1％。在1954年，貝爾實驗室制備出第一個具備實際應用價值的硅基太陽能電池，再經(jīng)過多年的發(fā)展，硅基太陽能電池已經(jīng)投入到實際應用中，并在太陽能電池產(chǎn)業(yè)中占有主導地位。然而盡管硅基太陽能電池具有較高的能量轉換效率，但是仍然存在著如硅材料價格昂貴、制備工藝復雜、能耗大和污染嚴重等問題，這些都嚴重制約了硅基太陽能電池的大規(guī)模生產(chǎn)應用。近年來有越來越多的研究者投入到新型非硅基太陽能電池的開發(fā)中。

發(fā)展到目前，太陽能電池可以分為以下三代。

第一代為晶體硅太陽能電池，包括單晶硅電池和多晶硅電池，經(jīng)過半個多世紀的不斷發(fā)展，器件的能量轉換效率大大提高了，制造成本不斷降低。單晶硅太陽能電池作為目前發(fā)展最為成熟的太陽能電池，其電池結構、制備工藝都己完善成型，廣泛的應用在我們的生活生產(chǎn)中。目前制備的單結非聚光的單晶硅太陽能電池的經(jīng)NREL認證的最高能量轉換效率達到了25％。單晶硅電池的制備需要純度達到99．999％的單晶硅棒，然而高純度的單晶硅提取難度大，制備工藝復雜，制造成本昂貴，大大增加了單晶硅電池的生產(chǎn)成本。多晶硅太陽能電池用到的多晶硅材料一般是將含有大量單晶顆粒的聚集體、冶金級的硅材料或是廢次的單晶硅材料通過熔化澆注的方法得到。相比較高純度的單晶硅制備，多晶硅的生產(chǎn)大大降低了硅材料生產(chǎn)過程中的能耗，節(jié)約了生產(chǎn)成本。目前單結多晶硅電池的經(jīng)NREL認證的最高效率達到了20.4％，具有很廣闊的應用前景。

圖3.(a)單晶硅太陽能電池，（b）多晶硅太陽能電池

第二代為薄膜太陽能電池，包括化合物半導體薄膜電池和非晶硅薄膜電池，這類薄膜電池在高溫下衰減很小，并且在弱光，如早晚、多云、陰天等條件下，仍然可以工作。這些都是優(yōu)于晶體硅太陽能電池的，但是晶體硅太陽能電池的能量轉換效率更高，環(huán)境穩(wěn)定性更好。常見的化合物半導體薄膜太陽能電池有以下這幾類：1．碲化鎘薄膜太陽能電池；2．銅銦硒薄膜太陽能電池；3．銅銦鎵硒薄膜太陽能電池；4．銅鋅錫硫薄膜太陽能電池。非晶硅材料是直接帶隙材料，具有高的光吸收系數(shù)，能夠有效的利用太陽光，另外具有薄膜電池的制備工藝簡單，成本低廉等特點，愈發(fā)的受到研究者們的關注。目前，非晶硅薄膜電池經(jīng)NREL認證的最高效率為13.6％。然而，由于非晶硅材料的缺陷很多，導致了非晶硅薄膜電池的穩(wěn)定性不高，效率衰減嚴重且能量轉換效率較低，嚴重制約了非晶硅薄膜電池的推廣應用。因此如果要提高非晶硅薄膜電池的穩(wěn)定性和能量轉換效率，非晶硅材料的缺陷是必需要解決的問題。

第三代為新型太陽能電池，這是基于前兩代電池的基礎上，提出的高效率、低成本、壽命長和環(huán)境友好的太陽能電池。通過應用新穎的器件結構以及引入新材料以達到提高太陽能電池器件轉換效率的目的。目前主要包括染料敏化電池、有機太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池。

1991年，由瑞士Gratzel教授提出一種模仿光合作用原理的染料敏化太陽能電池一經(jīng)問世就受到了廣泛的關注，其制備工藝簡單、制備成本低廉、具有較好的穩(wěn)定性、對環(huán)境友好、可制備柔性器件。經(jīng)過這幾十年的不斷發(fā)展，染料敏化太陽能電池的制備成本不斷降低，目前大約只有硅基太陽能電池的1／10～1／5；器件的穩(wěn)定性也得到了提高，目前的器件的穩(wěn)定性可以達到15～20年。目前染料敏化太陽能電池經(jīng)NREL認證的器件能量轉換效率達到了11.9％，盡管其能量轉換效率相比較其它無機薄膜太陽能電池還比較低，但是由于其極高的性價比，理論計算的發(fā)電成本基本同化石燃料相當，具有很好的應用前景。

有機聚合物薄膜太陽能電池作為一種新型的太陽能電池，具有成本低廉、制備工藝簡單、器件重量輕和可制成柔性器件等優(yōu)點，受到了人們的廣泛關注。1986年，C.W Tang首次利用對可見光有高吸收的有機染料四羧基茈的衍生物和酞菁銅制備出雙層膜異質(zhì)結器件，當時的器件能量轉換效率達到1％。目前，單結有機聚合物薄膜太陽能電池的最高能量轉換效率已經(jīng)到達11.7％，具有良好的應用前景。

有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池由染料敏化太陽能電池演化而來，2009年由日本科學家Miyasaka等人首次將這種有機一無機雜化鈣鈦礦材料(CH3NH3PbX3，X=Cl，Br,I)應用到敏化太陽能電池中作為吸光材料，取得了3．8％的效率。有機-無機雜化鈣鈦礦材料的結構示意圖如圖所示。盡管這種材料在電解質(zhì)中很容易分解，器件在幾分鐘后就徹底沒有效率，還是很快的引起了全世界研究者們的關注，經(jīng)過短短幾年的發(fā)展，基于有機-無機雜化鈣鈦礦材料的太陽能電池器件己經(jīng)從3.8％猛增至22.1％。鈣鈦礦太陽能電池器件具有制備工藝簡單，便于大規(guī)模生產(chǎn)，且成本低廉等優(yōu)點。另外這種有機—無機雜化鈣鈦礦材料本身的性質(zhì)也十分優(yōu)異，如物理性能優(yōu)越，化學穩(wěn)定性逐漸優(yōu)化。

圖4.有機-無機雜化鈣鈦礦材料晶體結構圖，A=CH3NH3;B=Pb;X=I，Br，C1