不可思议！未来你家的窗户也能发电了!

透明窗户也能发电？
不知道你们有没有想过这样场景，我们住的公寓楼，城市里遍布的玻璃幕墙建筑，里面的每一扇玻璃窗都会成为发电机，可以在炎炎夏日为空调供给电力，或在隆冬给房间里的热水器供电。这些原本只存在于科幻场景里的东西，正慢慢变成为现实。
今年4月，《NanoEnergy》杂志上刊登了一则关于澳大利亚ARC激子科学中心和莫纳什大学教授杰克·杰森带领的研究团队研制出了半透明的钙钛矿太阳能电池的报道。这报道咋一看似乎平平无奇，但其实它的精华都集中在了“半透明”这三个字上。
“半透明”意味着什么呢？就是这种电池在产生电能的同时，还可以让光通过！如果能将它与玻璃产品结合起来，那窗户就可以被改造成一个自主发电机，为电力、建筑、城市规划等行业都带来革命性的变化。
虽然到目前为止，半透明太阳能电池的商用研究仍在路上，距离我们正式见到它可能还需要一些时间。但在那之前，我们完全可以先来了解一下这种名为“钙钛矿”的材料到底有什么样能耐，可以引起各国研究者的巨大兴趣。
人类对于太阳能的利用
还不充分！！！
随着全球气候变暖的加剧，极端天气对人类和野生动物的生存活动造成了严重威胁，导致气候变暖的温室气体CO2、SO2主要来自化石燃料的燃烧，随之带来的雾霾天气也让我们无处遁逃。因此，亟待开发可以替代化石燃料的清洁能源，如风能、地热能、太阳能、潮汐能等。
其中，太阳能是众多清洁能源中最为理想的可再生能源，它取之不尽、用之不竭，是宇宙对我们最好的馈赠。如果把太阳光照射地球一小时的能量“全部”收集起来，够全人类使用一年。倘若将地球荒漠面积的1%装上光伏电站，就可以满足人类目前用电量的需求。
既然太阳的能量如此巨大，为什么没能取代化石能源？太阳能又该如何更高效利用？想要弄清楚这些问题，我们就需要先了解太阳能电池的工作原理：
一个典型的硅晶太阳能电池，主要由以下几个部分叠合组成：
当太阳照射电池板时，吸光层内部的电子通过光照获得了能量，部分带负电的电子离开始“活跃”起来，它们穿过电子传输层，在负极被收集。同时，带正电的空穴向反方向传递，在正极被收集。当电池正负极导通，电子和空穴流动起来形成电流，从而实现了光能到电能的转换。
过去几十年里，太阳能电池的对太阳光的吸收转化运用并不充分，很大原因在于吸光材料对于太阳能量的利用率不高。光电转换材料，制约了太阳能电池的进一步发展。
● 第一代太阳能电池所利用的光电转换材料主要是硅，这种间接带隙半导体，不能以最小的光能激发吸光层材料产生电流，所以光电转化效率不高；
● 第二代太阳能电池的光电转换材料升级，使用直接带隙半导体，例如砷化镓、碲化镉、铜铟镓锡等，尽管相比于第一代吸光材料而言，这种材料更加高效，但它们也面临制备成本高、材料纯度要求严苛的弊端。
钙钛矿太阳能电池的构造与运行机理示意图
典型的太阳能电池结构主要有五部分叠合而成，包括一个吸光层、两个传输层、两个电极，其中吸光层至关重要，它是光能与电能的纽带，是能量转换的开关。
钙钛矿就是在这一层中大显身手的。当太阳能电池工作时，吸光层受到光照，它内部的电子获得能量，这些电子就如同吃饱饭的孩子精力充沛变得非常淘气，要来一场说走就走的旅行，它们挣脱吸光层的束缚，再通过传输层的助力向外部传递；与此同时，当带负电的电子离开后，留下了带正电的空穴，朝着电子的反方向传递，就这样电子和空穴流动起来，构成外部电流，实现了光能向电能的转换。 
随着太阳能电池研发制备技术的升级，钙钛矿光电转换材料横空出世，成为太阳能电池领域的研究热点。
钙钛矿太阳能电池的发展虽然只有十余年的时间，但是它的光伏发电效率却能从3%提升至30%左右。相比于前几代光电转换材料，钙钛矿材料兼具了高效率和低成本制备的优势，与发明了近70年的硅太阳能电池相比，说它是乘着火箭发展起来的也不为过。
神奇的钙钛矿材料
钙钛矿自“出生”就“天赋异禀”，得到了广泛的关注
那么它究竟是一种什么物质呢？
1839年，德国科学家在考察乌拉尔山脉时发现了一种元素组成为 CaTiO3的矿石，并将其命名为"perovskite”以纪念同名的俄国地质学家。发现该矿石的地质学家一定不会想到，二百余年后的今天，这种深埋地下的棕色矿石衍生出的材料竟然会聚焦在阳光下，成为新能源材料领域炙手可热的新星。
钙钛矿不是一种“矿”，它其实和钙、钛、矿三个字都没什么关系。光伏领域的所谓“钙钛矿”，指的是一类与钙钛矿（CaTiO3）晶体结构类似的“ABX3”化合物。
这种结构长成下面这个样子，它具有对称的立方八面体晶格结构，后来科学家们将拥有这种晶格结构的一类物质统称为钙钛矿。
这类材料通常具有ABX3的化学式，其中A,B,X都对应着不同的离子，通常，A代表有机胺阳离子，B代表金属阳离子，如Pb离子、Sn离子，X代表卤素阴离子。
因此，钙钛矿指的不是特定材料，而是一种结构，一类物质。这类材料应用的光电领域具有极大的优势，包括种类繁多，对光的吸收能力强，吸收范围广，几乎可以吸收全部可见光；并且能在温和条件下实现低成本的制备，对产业化应用极具意义。
2009年，日本科学家宫坂力造出了世界上第一块钙钛矿太阳能电池，当时的转化率只有3.8%，彼时晶硅电池实验室转化效率已经达到了18%左右。但仅仅5年后，钙钛矿电池的光电转换效率便已跃升至19.3%，提高了5倍，被《科学》杂志评为2013年的10大科学突破之一。到2022年，这数字已经来到了29.8%，由德国HZB研究中心创造；其进步之快，潜力之大，超过目前效率最高的异质结、TOPCon等晶硅技术的效率极限，将同为薄膜电池的其它技术路线甩开几条街。
钙钛矿太阳能电池的制备成本仅仅是单晶硅太阳能电池的十分之一，却能达到与之相似的效率。它是如何实现低成本制备的呢？
与传统吸光层复杂的纯化和刻蚀工艺不同，钙钛矿太阳能电池可以通过简单的溶液法合成。
目前实验室使用最为广泛的方法是旋涂法，即在基底材料表面滴加溶液，高速旋转后均匀铺开结晶成膜，可用于微型器件的制备。
大面积制备可以通过柔性印刷工艺实现，这与平时的纸质印刷的原理相似，就如同油墨铺在纸张上一样，高效且成本低廉。在太阳能电池中，钙钛矿层仅需0.5微米就可以实现光电转换的功能，而硅则需要200微米。
因此，钙钛矿太阳能电池原料成本低，工艺简单，并且可以在柔性基地表面制备；克服了传统电池制备对环境要求严苛、制备工艺高能耗、高成本、易造成环境污染的缺点。
钙钛矿太阳能电池凭借着自身微型化、柔性化、轻质化的特点，可以部署在那些无法承受或不能安装晶硅电池的地方，小到为柔性可穿戴电子产品供电；再到汽车天窗，安装在车顶为汽车提供混合动力；大面积太阳能电池板甚至能贴附于大楼表面，为整栋大楼供电。
除了我们的日常生活，在空天科技领域钙钛矿太阳能电池也能大显神通。
例如为无人机巡航提供能源动力；应用在月球车和卫星的帆板，源源不断地提供动力来维持宇宙飞行器的日常运行；甚至还能应用在空间站，成为最坚实可靠的能源保障。
钙钛矿被用在光伏太阳能电池中
它具体有哪些优势与劣势？
01/优势
光电转化效率高
钙钛矿材料具有较高的光吸收系数和较长的载流子扩散距离。在可见光波长（380~800nm）范围内，钙钛矿的光吸收系数比硅高1-2个数量级，因此钙钛矿薄膜只需要几百纳米就有较强的吸光能力；钙钛矿材料吸收的光子转换成电子后，由于其载流子具有较长的扩散距离（几个微米，远大于钙钛矿薄膜厚度），很容易被电极收集、损耗较小，因此能产生较高的光生电压和电流，综合表现出较高的光电转换效率。
弱光性能好
钙钛矿光伏电池弱光下具有优异的光电转化效率，未来有机会将室内照明的弱光和阴天时室外弱的太阳光利用起来发电，这也是钙钛矿光伏区别于传统硅基光伏的一大优势。
理论研究表明，弱光下光伏电池的发电效率跟能带间隙有关，在接近2eV带隙时，光伏电池在弱光下的效率高达52%。由于钙钛矿材料带隙可调、光吸收系数高、对杂质不敏感，对应的光伏电池对缺陷态的包容度较高，其在弱光下仍具有优异的光电装换效率。而晶硅的带隙约1.1eV，偏离2eV较多，弱光下发电效率很低。
相关的研究表明，钙钛矿光伏电池在200 Lux的弱光下仍可输出25%以上的光电转换效率。夏季明朗的室内光照强度为100～550 Lux，而100 W的白炽灯光照强度约1200 Lux，荧光灯的发光效率是白炽灯的3～4倍，这就意味着钙钛矿光伏未来有望在室内弱光条件下为一些低能耗电器提供可靠稳定的电力来源。
光伏特性可调
钙钛矿材料可以通过调节组分，使其能带间隙在1.4~2.3eV之间连续可调，因此可以衍生出区别于硅基光伏的应用：
● 如调整带隙至2eV左右，使其适用于弱光下高效发电；
● 用于建筑玻璃上，将钙钛矿薄膜做成不同颜色或者半透明的状态，做在质轻的柔性基底上实现建筑光伏一体化，即BIPV或者BAPV；
● 制成叠层电池，设计不同带隙的钙钛矿层，并彼此或是与其他光伏材料叠加，从而使不同波长的光能转化成电能；
而相比较之下，晶硅光伏电池只有单一的带隙，性能的优化空间与应用场景均十分有限。
02/劣势
然而，集众多优势于一身的钙钛矿材料在实现工程应用路上，仍存在着亟待解决的瓶颈问题，吸引着科学家们不断探索钻研，主要表现三个方面： 
01
有些钙钛矿含Pb这种有毒物质，因此开发无毒化钙钛矿材料一直是该领域重要的研究方向，目前已经有研究成果表明可以用Sn元素来替代Pb，也能实现高的光电转换效率；
02
钙钛矿材料对于氧气和水不稳定，这个问题一方面可以通过改善封装技术来解决；
03
目前很多课题组都将研究重点从刷高效率转移到提高环境稳定性上来，在不久的将来，其稳定性问题相信也一定会被突破，从而实现批量制备，推动其产业化应用；
理研计器提供技术保障
目前，钙钛矿太阳能电池进入深入研究阶段，而如何在现有技术基础上，进一步降低成本，提高效率和稳定性，推进其产业化，是将来主要的研究方向。
这其中就需要通过光电子能谱表界面分析技术对钙钛矿降解机理进行系统的研究，获取材料表界面的能带结构、化学键、元素结构、功函数等信息，从而深入理解钙钛矿分解过程，找到相应解决方案。
理研计器的AC-2S系列一直活跃于各大光电材料分析领域，服务于材料基因组学、表界面工程、新材料的设计以及新器件的研发！
原理
由紫外光源射出的紫外光，经由分光器单色化后，照射到样品表面。根据光电效果的原理（物质通过吸收光子的能量，激发出光电子），所激发的光电子被电子产额检测器检测收集后，生成相应谱图。紫外线的波长λ可由以下公式换算成光的能量E：
✎ Tip 
E=h ν＝h・c / λ
（h：普朗克常数，ν：光的振动频率，c：光速，λ：波长）
当照射的紫外光的强度逐渐变大时，如图所示，可从光电子激发的阈值能量中求得逸出功或者电离势能。
AC-2S 系列针对各个用户群体进行功能细分化，开发了AC-2S Proα/β的机型↓↓↓
1＜温度条件测试＞最高可以升温至100℃
加装了加热样品台，最高可加热至100℃(最低为室温)
▲可用于测定因温度变化而发生性质变化的新材料
2＜寿命长・大光量的新型光源＞寿命延长超过10倍
新型激光驱动光源(LDLS)拥有极长寿命(普通氘灯的10倍以上)，大光量(最大2500nW)等特点，可满足材料逸出功测定的各种需要。
▲由于寿命极长，所以不用频繁更换光源配件
3＜微小领域测定＞
极小光斑(~0.4mm见方)测定
▲可以测定极小面积的材料，适合半导体晶圆或像素点等材料
4＜低能量范围＞
能量下限可低至2.0eV
▲配合大光量光源，可测试某些逸出功较低的新型材料
AC系列的优点
 1   可在大气中简单测试
无需进入真空状态，样本更换简单，可在短时间完成测量。
 2   对材料的破坏 小 并且测量值的再现性高
原理是照射强度较弱的紫外线，检测释放的微量光电子，因此对材料的破坏小， 测试的再现性高。
 3   AC 系列有众多的导入实绩
在全世界的大学、研究机构中有导入实绩，被2000多篇论文引用刊载。
AC系列在材料研究领域一直响应着研究者的需求，其主要应用领域在电子器件产业、能源产业、研究所、大学等方面：
光伏产业
使用钙钛矿型有机金属卤化物的可视光敏太阳能电池，可以使用AC系列测定钙钛矿太阳能电池材料的逸出功；同时，AC系列也能够准确测定有机和无机空穴传输材料能级，用于筛选空穴电荷传输材料。
锂电池产业
用于锂离子电池正极材料的循环性能增强的表面处理技术，可以使用AC系列测量锂电池正极材料的电离势能；
氢燃料电池产业
使用非贵金属的新型燃料电池电极材料开发应用研究，可以使用AC系列测定燃料电池电极材料的电离势能；
目前，AC系列正在全世界被广泛使用，特别是各大学术机构，目前已有数千篇相关论文发表在各大知名杂志(Nature Science RSC等)上，目前使用AC系列的研究机构：
研究机构
东京大学、京都大学、名古屋大学、山形大学、九州大学、理化学研究所、物质・材料研究机构、东京工业大学、信州大学、斯坦福大学(美国)、普林斯顿大学(美国)、斯特拉斯堡大学(法国)、弗劳恩霍夫应用研究促进协会(德国)、柏林洪堡大学)德国)、北京大学(中国) 、华南理工大学(中国)、武汉大学(中国) 、工业技术院(中国台湾)、韩国电子技术院(韩国)、庆北大学(韩国)、 VISTIC(泰国)、 IMRE 研究所(新加坡)、 CSIRO(澳大利亚)、KAUST(沙特阿拉伯)等
随着相关企业和科学家们对钙钛矿研究的加深，钙钛矿太阳能电池技术也有望趋于成熟，理研计器希望在这条攻坚克难的挑战之路上，贡献出自己的技术力量。
结语
“碳达峰”和“碳中和”一直都是能源领域的热点话题，作为助力“双碳”战略的生力军，光伏产业具有举足轻重的地位。
目前在我国，已经开始大力推广光伏产业。大面积的农田村庄都已经安装了太阳能电池板，据国家发改委预测，到2050年光伏会成为中国第一大能源。因此，合理开发利用太阳能，对国家发展和人类生存具有重要的意义。
理研计器拥有600多种气体传感器和100多种气体探测器。未来，我们仍将不断开发新产品、研发各项新功能，使得气体检测仪在应用上更先进、更适合日新月异的市场环境，致力于为用户提供一个最可靠、最准确、最安全的气体检测方案。
理研计器必将在未来气体产业的生命安全画卷中，添上浓墨重彩的一笔，守护人们的幸福生活，为生产和生活不断创造新价值！为用户选配适合原理的检测仪，用成熟的工艺完善气体检测系统。