目前主流的晶硅太阳能电池光伏发电技术存在着光电转换效率对光照强度依赖性强、接近理论极限效率、应用场景单一、生产成本高、无法实现柔性弯折等突出弊端。
面对当前新一轮光伏发电技术的革新以及产业发展机遇，需要发展新技术来拓宽光伏发电的应用场景，并通过更高质量的新能源发电方式来提高与电网运行的耦合程度。
因此，亟待开发新型光伏发电技术来适应多种应用场景，满足低碳能源转型新业态、新格局下的多种性能指标要求。
钙钛矿太阳能电池(PSCs)是新一代太阳能光伏发电技术的典型代表，具有光电转换效率高、对光照强度依赖性小、制备工艺简单、加工方式多样、成本低廉等优点，目前单节钙钛矿太阳能电池的最高光电转换效率已经突破25.7%，在新一代太阳能电池中处于最高水平。
更重要的是，通过对钙钛矿光吸收层的光谱吸收范围和强度的灵活调控以及使用透明导电材料作为顶电极，还可以实现器件的半透明化，如图 1 所示。
图 1 半透明钙钛矿太阳能电池
半透明光伏发电技术不仅可以实现太阳能电池应用场景多元化，而且可以助力光电转换效率突破30%，实现超高效率、多应用场景的光伏发电。
典型的钙钛矿晶体化学结构通式可简写为ABX3，用于光伏发电的主要是金属卤化物钙钛矿，其中 A 主要由甲脒(NH=CHNH3)、甲胺(CH3NH3)或 Cs 及其混合物组成，B 主要由 Pb 或 Sn 及其混合物组成，X 主要由 I、Br、Cl 或拟卤素及其混合物组成。
金属阳离子和卤素离子构成 BX6 正八面体，通过共用顶点 X 连接起来形成三维骨架结构，有机或无机阳离子填充立方八面体孔径 A 位置。
钙钛矿太阳能电池主要是由电子传输层、钙钛矿层和空穴传输层和两个电极层构成。
其简要工作原理为钙钛矿光吸收层受外部光子能量的激发产生电子空穴对，之后产生的电子和空穴分别经由电子传输层和空穴传输层至电池两侧的电极从而进入外电路进行发电。
钙钛矿材料不仅可以高效的吸收光能，还可以高效的传输电子和空穴，通常被认为是本征半导体材料(i)，空穴传输层由 p 型半导体材料(p)构成，而电子传输层由 n 型半导体材料(n)构成。
目前，钙钛矿太阳能电池的器件结构可以分为正式介孔结构、正式平面结构(n-i-p)和反式平面结构(p-i-n)。
2009 年，日本 Miyasaka 课题组使用基于染料敏化太阳能电池的器件结构，首次制备出基于液态电解质的钙钛矿光伏器件，其光电转换效率为3.8%。
2012 年，瑞士洛桑联邦理工学院 Grätzel 和韩国成均馆大学 Park 团队通过固态 Spiro-OMeTAD空穴传输材料替代液态电解质，实现了效率接近 10%的固态钙钛矿太阳能电池。
因为具有带隙可调、制备工艺便捷、制备成本较低、光电转换效率高等特点，钙钛矿太阳能电池受到人们广泛的关注，到目前单结钙钛矿太阳能电池的最高光电转换效率已达 25.7%。
在发展的过程中，研究人员又发现钙钛矿太阳能电池吸收光谱灵活可调、器件可实现半透明化，以及能够沉积于柔性可弯折薄膜基底等特点。这些都是目前基于晶硅材料的光伏电池难以实现的。
半透明钙钛矿太阳能电池是充分利用钙钛矿太阳能电池具备带隙可调、薄膜厚度可控以及可制备透明电极等特点来实现器件透明化的。
具体而言，通过调控钙钛矿材料中各元素的掺杂比例，特别是碘、溴等卤素的比例，可实现钙钛矿薄膜在不同波段对光的吸收与透过，即带隙可调。
这一特点也显著有别于传统晶硅材料电池带隙窄(1.1eV)且不可调的特点。
带隙即导带的最低点和价带的最高点的能量之差，能够使得光敏材料发生电荷转移产生电流所需的光子能量，带隙越宽，所需的光子能量越高。薄膜厚度可通过调整钙钛矿前驱体溶液浓度、制备条件、形貌结构来进行调控。
从钙钛矿薄膜制备角度考虑，为了实现半透明钙钛矿太阳能电池带隙的灵活调控，同时提升器件在一定波长范围内对光的透过率，需要探索可靠的高质量钙钛矿薄膜制备方法来保证器件在调控化学组分以及薄膜厚度和形貌控制的过程中，仍保持较高的光电转换效率和稳定性。
从电极层角度考虑，传统钙钛矿太阳能电池的电极层大多采用的是常见金属材料(如：金、银、铜等)，因此常规钙钛矿太阳能电池无法透光。
为了实现高效率的半透明电池，需要采用透光性导电性俱佳的电极材料或结构来替代传统的金属电极。因此，透明电极的研究对半透明钙钛矿太阳能电池而言至关重要。
在制备高性能半透明器件过程中，根据应用场景的不同，其光学性能评估可主要分为：平均可见光透过率(AVT)、平均近红外光透过率(ANT)和显色指数(CRI)。
因此，半透明钙钛矿太阳能电池的目标是在高光电转换效率、高稳定性的前提下，实现器件的高透光性及带隙可调性，以满足各种应用场景对光伏电池综合性能的要求。
从半透明钙钛矿太阳能电池的应用角度而言，需要尽快探索并制备出符合商业化应用条件的大面积半透明钙钛矿太阳能电池模组，并通过示范项目来对技术本身的先进性进行验证并对其实现进一步的优化，以期促进半透明钙钛矿太阳能电池在叠层太阳能电池和温室农业光伏领域的商业化应用。
原文始发于微信公众号（光伏产业通）：半透明钙钛矿太阳能电池
