鈣鈦礦太陽能電池

鈣鈦礦太陽能電池，科學家們在最新研究中發現，一種鈣鈦礦結構的有機太陽能電池的轉化效率或可高達22.1%，為目前市場上太陽能電池轉化效率的2倍，能大幅降低太陽能電池的使用成本。

2017年諾貝爾化學獎將于4日揭曉，武漢理工大學程一兵團隊在鈣鈦礦光伏組件的制備技術上已經取得了實質性突破，這標志著武漢在這項“諾獎級”的技術上走在了世界前列。

鈣鈦礦太陽能電池因其所需的原材料儲量豐富，制備工藝簡單且可以采用低溫、低成本的工藝實現高品質的薄膜而擁有誘人的前景。這些有著高質量晶體結構的薄膜甚至可以與在高溫下以高成本獲得的硅片的晶體質量媲美，實現柔性化和“卷對卷”式的規模化生產。

為了挑戰硅在太陽能電池領域的主導地位，制備鈣鈦礦電池還需要解決一些關鍵問題。目前，實驗室中的電池樣品只有指甲蓋大小，其安全性和長期穩定性也有待大幅提升——對于研究人員而言，這將是一場艱苦的戰斗。

效率之戰

在此前對鈣鈦礦太陽能電池能量轉換效率的報道中，曾有過轉換效率為20.1%的報告記錄，而晶體硅太陽能電池的單元轉換效率最高值為25.6%。那么，為什么太陽能電池無法將太陽光能量100%地轉化為電能？為什么研究人員認為鈣鈦礦太陽能電池將有望超過硅所創下的效率記錄？

答案的關鍵就在材料內部可激發的電子和可自由移動的電子中。當陽光照射太陽能電池時，一些電子會吸收能量而脫離原子束縛。充滿能量的受激電子會穿過材料中的晶格向一邊移動，或從電池的一端逸出，或遇上一個障礙或陷阱從而釋放出無用的熱量。對于硅太陽能電池中的硅材料來說，通常需要采用高達900℃的高溫加熱處理以便盡可能地降低缺陷濃度。然而鈣鈦礦只要約100℃就可以去除絕大多數晶體缺陷。此時，被光激發的電子同樣能夠順利地逸出鈣鈦礦，且不至于因為撞上過多的障礙物而損失太多的能量。

但對于任何基于半導體材料（例如硅或鈣鈦礦）制成的太陽能電池而言，太陽光能轉化為電能的效率總有一個上限，這主要由半導體的“帶隙”性質決定。帶隙指的是使電子脫離束縛成為自由電子所需的最小能量。不同半導體通常具有不同的帶隙，由此會導致一個兩難境地出現：帶隙越小，電池吸收的太陽光光譜范圍就越大，也就可以利用更多的光能來激發電子，但每個電子的能量也會更低。即使太陽能電池材料的帶隙處于最理想的大小，也只能轉化約33%的太陽能。

在制造鈣鈦礦時，研究者們可以通過改變原料的成分來調節它的帶隙寬度，因此鈣鈦礦太陽能電池在效率上超越硅電池是可能的。研究者還可以將帶隙寬度不同的鈣鈦礦層疊加在一起變成疊層鈣鈦礦太陽能電池。有預測指出，基于疊層結構的太陽能電池可以將太陽能的利用率提高到46%。

舊材料，新用途

礦物學家在19世紀就已經在地殼中發現了天然的鈣鈦礦，但直到2009年，日本桐蔭橫濱大學的研究組才首次將人造鈣鈦礦制成了太陽能電池。他們選用的鈣鈦礦型材料是一種含有鹵素和鉛元素的鈣鈦礦型鹵鉛化合物，通過優化鈣鈦礦的成分并對電池結構中的其他功能層進行改進，使其效率突破了10%。

除了沉積工藝的優化之外，科學家也簡化了電池中的一些功能層，使最新的鈣鈦礦太陽能電池看起來跟硅電池更像。正是這種簡單的薄層狀設計降低了硅電池的生產成本，促進了大批量生產。同時，鈣鈦礦晶體薄膜的結晶性正在持續改善中，這樣的發展趨勢著實令人振奮。

商品化的漫漫長路

不過在實現這些愿景之前，鈣鈦礦還有很長的路要走。穩定性是鈣鈦礦太陽能電池最致命的弱點。由于它們對潮濕環境敏感，暴露在潮濕空氣中會很快分解，因此必須對其進行防水封裝。按照產業界慣例，一塊太陽能電池板需要有25年的質量保證，相當于在恒定、明亮的太陽光下工作約54000小時。因此，找到一種能夠在較大溫度范圍內長時間穩定工作的水汽阻隔技術十分重要。目前，也有一些公司嘗試將銅銦鎵硒半導體等其他材料制成商業化的柔性太陽能電池產品，并取得了一些進展。

鈣鈦礦電池封裝的重要性不僅在于需要將水分隔絕在外，更要將電池中的化學成分密封在內，因為鈣鈦礦的成分中含有微量的鉛。在材料毒性和安全性方面，鈣鈦礦太陽能電池可以借鑒基于碲化鎘材料的太陽能電池技術——碲化鎘太陽能電池板如今已經遍及世界各地，雖然鎘的毒性比鉛大得多，但這些電池已通過安全標準評估。鈣鈦礦企業或許可以從這一成功案例中學習可靠的封裝技術和嚴格的測試方案。

美國麻省理工學院的研究人員此前在鉛的處理方面取得了一項令人振奮的進展：他們證明，車用鉛酸蓄電池中的鉛可以被安全地回收再利用，并用于制造鈣鈦礦電池。解決安全問題的另一條途徑就是完全取消鉛的使用。一些團隊曾發表相關文章報道了用錫代替鉛制備鈣鈦礦電池的初步結果，然而含錫電池在效率和穩定性上都遜色于含鉛電池。

由此看來，鈣鈦礦的變革者們需要給出一個在經濟上更具說服力的理由，以吸引足夠的投資來擴大生產規模。雖然鈣鈦礦電池所需的原材料十分充足，且可以較低溫度下使用廉價設備進行生產，但還需要考慮“周邊系統成本”，這包括安裝材料和人力成本、安裝許可證和系統檢查相關費用以及其他相關的費用。

與硅電池結盟

根據目前的情況看，鈣鈦礦電池或許可以與硅電池結成“聯盟”，從而在現有的光伏市場上形成有力競爭。研究人員稱，在硅層上方加一層鈣鈦礦太陽能電池，可以將二者結合并形成一個“疊層”太陽能電池。鈣鈦礦材料能夠很好地利用太陽光中能量較高的光（如藍光或紫外光），這正好是硅所無法吸收的部分，這樣便能激發更多具有較高能量和光電壓的電子。研究者們預測，未來如果將最好的硅組件和鈣鈦礦器件合理地整合在一起，在不用大幅改動兩者制造技術的情況下就可以獲得超過30%的效率，同時，周邊系統成本也將會大大降低。

逆向拓展

鈣鈦礦太陽能電池的迅速崛起也為科學家們和工程師們帶來了其他方面的啟發，如可以利用鈣鈦礦材料來制備其他類型的光電功能器件。此前，研究人員已用金屬鹵化物鈣鈦礦材料制造出發光二極管（LED）和激光器，它們能通過冷發光過程有效地放出光。盡管針對此類新穎產品的研究才剛剛開始，但研究者相信，這一領域將會越來越受到大家的關注。