新知| 你所不知道的钙钛矿制氢

被称之为最具发展潜力的第三代光伏电池技术，钙钛矿在太阳能发电制氢方面相比晶体硅有着巨大的优势，那么钙钛矿会是太阳能制氢的颠覆者吗？

近日，美国莱斯大学的一个研究团队在《ACS Nano》（纳米研究领域国际著名杂志）上发表了一个研究进展，主要内容是将钙钛矿太阳能电池和催化电极组合在一个单元中可以更有效地制备氢气

该研究团队发明了一种装置，改进了以往利用太阳能来发电制氢。该装置将催化电极和钙钛矿太阳能电池结合在一起，使太阳能生产氢燃料的效率高达6.7%。

“这个概念大体上类似于人造叶子，”美国莱斯大学（Rice University）德克萨斯州材料科学家Jun Lou解释说。“我们所拥有的是一个集成模块，它将阳光转化为电能，重要的是，提高了太阳能发电制氢的效率。”

Jun Lou还说到：“除了转换效率提高外，该新型装置的制造成本也不高。通常钙钛矿太阳能电池都有不耐湿、热与水等缺点，因此团队用特殊的Surlyn聚合物材料将电池裹起来进行保护，让电池可以长时间浸泡在水中，聚合物既能保护太阳能电池，又能使阳光有效地穿透太阳能电池，充当电池和电极之间的绝缘体和保护器。”

Jun Lou接着表示，纵使没有阳光，团队也可以用另一种形式来存储阳光能量，将氢气与氧气分别存放在存储容器中再用燃料电池等设备转换成电力。

目前光伏发电大多都以硅材为主，虽然便宜且容易取得，但在太阳能电池领域大放光彩的晶体硅材料，到水中效率会大打折扣，最终影响制氢效率，而且也存有稳定性问题，与传统的硅板相比，钙钛矿在效率、效果和绿色能源方面更具前景。

当然该技术及新型装置目前仍处于实验室阶段，还需要进一步发展，更没有准备好支持氢动力乘用车的使用，但它确实为向前发展创造了巨大的潜在机会。那么被称之为最具发展潜力的第三代光伏电池技术，钙钛矿会是太阳能制氢的颠覆者吗？

01太阳能制氢的历史

早在200年前，人类对氢能应用就产生了兴趣；从20世纪70年代起，氢能的制备和应用技术发展提速，全球出现了广泛性的氢能研究潮。

氢能产业的发展史，伴随着制氢技术的不断发展。目前工业上制备氢气的方法可分为：煤气转化；热化学法；生物制氢；电解水制氢；生物质热解技术等。其中，使用化石燃料作为主原料的煤气转化法，占世界氢气制备总量的96%。

虽然电解水制氢所占比重不足4%，太阳能制氢比重更是所占比例甚微，但太阳能制氢也有着40年的发展历史，并被看作是最具前景的制氢方法之一。到目前为止，对太阳能制氢的研究主要集中在：热化学法制氢、光电化学分解法制氢、光催化法制氢、人工光合作用制氢和生物制氢等。

其中，将太阳能发电和电解水组合制氢组合成系统的技术，是主流发展方向。从世界范围来看，太阳能发电产业已经进入到了相对成熟的阶段。光伏发电从2013年的135.76GW，逐步增长到2017年的386.11GW，再飞跃到2018年的480.36GW，短短5年时间，实现了3.5倍的增长，增长速度惊人。2019年，全球新增光伏装机量97.5GW，累计装机量达到580.1GW。

特别是在过去的三年间，我国光伏新增装机以平均每年超过40GW的总量而傲居全球，发展速度极其之快。

并且，随着光伏的快速发展，光伏发电的转化率记录也在不断被刷新，可以说从量到质上，太阳能制氢具备了良好的基础。

02钙钛矿是什么？

1839年，德国化学家古斯塔夫·罗斯在俄罗斯乌拉尔山探险时发现了第一种钙钛矿——天然矿物钛酸钙（CaTiO ），从此以后，学术界的研究人员便把所有具有ABX 结构的晶体材料统称为钙钛矿。

2009年，日本科学家Tsutomu Miyasaka率先将钙钛矿材料用于染料敏化太阳能电池作为吸光材料，获得了3.8%的光电转化效率。自此之后，钙钛矿电池成为国内外顶尖高校实验室研究的目标。

“钙钛矿电池在稳定性和有毒物质铅方面还存在一定的问题，但是它确确实实引起了研究界的注意力。”9月4日，在第二届中澳科学未来会议上，对于钙钛矿，素有“光伏之父”之称的悉尼新南威尔士大学（UNSW Sydney）马丁·格林（Martin Green）教授接受《能源》杂志记者采访时说。

2013年12月20日，钙钛矿入选美国《科学》2013年十大科学突破。

“这种新一代太阳能电池材料在过去一年中获得大量关注，它比传统的硅电池要更便宜且更易生产。钙钛矿电池还不及商用太阳能电池那样有效，但正以飞快的速度改进。”《科学》如此描述。

由于兼具低成本、高效率和材料易获取等优点，钙钛矿也被人称之为“上帝赐给光伏行业的礼物”。

03钙钛矿能否颠覆太阳能制氢？

钙钛矿虽然具有低成本、高效率和材料易获取等优点，而且尽管其效率上限高、工艺简单、发展速度很快，但是很实际的问题是，钙钛矿方面的技术目前仍然处于实验室阶段，走出实验室的钙钛矿电池还需要面对更多的挑战。不稳定、有毒和面积小便是不得不面对的三座大山。

由于离子组成的钙钛矿半导体天生结构“柔弱”，工作条件下受光照、电场、温度、水氧等作用的影响会产生结构缺陷，导致半导体材料发生结构改变甚至分解；分解逃逸出来的离子还会进入到电荷传输层或者电极层，进一步破坏光电转换功能，造成整体器件效率的显著降低。

面对钙钛矿电池技术的汹涌发展，在晶体硅电池方面获得巨大成功的马丁·格林教授也指出其在稳定性方面的弊病。

“在接受光照的前八个月，最优质的钙钛矿能够保留它97%的性能，而标准硅电池在第一年的衰退率是低于2%～3%的，在随后25～30年的时间中，标准硅电池每年的衰退率不超过0.5%。相比目前标准的，市场上商业化的光伏产品来讲，钙钛矿稳定性不足是比较大的问题。”马丁·格林一针见血地指出。

尽管钙钛矿电池目前在稳定性、大面积制备等方面还存在问题，但是其飞速提升的效率和发展前景已经让包括三峡集团、金风科技、协鑫集团、通威以及国际上的牛津光伏等能源企业大笔的投入资金。

与此同时，针对钙钛矿电池中的种种问题，中国、韩国、日本、美国、英国、瑞士等国的众多顶级科研院校近年来频频取得突破。2018年至今在《自然》和《科学》上发表的关于钙钛矿太阳能电池/LED的论文便高达16篇，其中有8篇来自中国或外籍华人之手。

此外，2019年6月，科技部发布了《国家重点研发计划“可再生能源与氢能技术”等重点专项2019年度项目申报指南》，其中提到了开展稳定大面积钙钛矿电池关键技术及成套技术研发。目前，钙钛矿电池25.2%的最高效率是在实验室取得的，电池面积小于1cm ，且属于非稳态。

总体上，钙钛矿电池技术要真正实现商业化还有很长的路要走，但技术永远都在发展，等到钙钛矿电池技术真正成为“上帝礼物”，成为下一代光伏产业的引领者之时，那么钙钛矿颠覆太阳能制氢还遥远吗？