鈣鈦礦太陽能電池

鈣鈦礦太陽能電池，科學(xué)家們在最新研究中發(fā)現(xiàn)，一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率或可高達22.1%，為目前市場上太陽能電池轉(zhuǎn)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(xué)獎將于4日揭曉，武漢理工大學(xué)程一兵團隊在鈣鈦礦光伏組件的制備技術(shù)上已經(jīng)取得了實質(zhì)性突破，這標(biāo)志著武漢在這項“諾獎級”的技術(shù)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(xiàn)高品質(zhì)的薄膜而擁有誘人的前景。這些有著高質(zhì)量晶體結(jié)構(gòu)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(zhì)量媲美，實現(xiàn)柔性化和“卷對卷”式的規(guī)模化生產(chǎn)。

為了挑戰(zhàn)硅在太陽能電池領(lǐng)域的主導(dǎo)地位，制備鈣鈦礦電池還需要解決一些關(guān)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(wěn)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(zhàn)斗。

效率之戰(zhàn)

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

答案的關(guān)鍵就在材料內(nèi)部可激發(fā)的電子和可自由移動的電子中。當(dāng)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(shù)晶體缺陷。此時，被光激發(fā)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(dǎo)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(zhuǎn)化為電能的效率總有一個上限，這主要由半導(dǎo)體的“帶隙”性質(zhì)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(dǎo)體通常具有不同的帶隙，由此會導(dǎo)致一個兩難境地出現(xiàn)：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(fā)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)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(yù)測指出，基于疊層結(jié)構(gòu)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(xué)家在19世紀(jì)就已經(jīng)在地殼中發(fā)現(xiàn)了天然的鈣鈦礦，但直到2009年，日本桐蔭橫濱大學(xué)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(yōu)化鈣鈦礦的成分并對電池結(jié)構(gòu)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(yōu)化之外，科學(xué)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(shè)計降低了硅電池的生產(chǎn)成本，促進了大批量生產(chǎn)。同時，鈣鈦礦晶體薄膜的結(jié)晶性正在持續(xù)改善中，這樣的發(fā)展趨勢著實令人振奮。

商品化的漫漫長路

不過在實現(xiàn)這些愿景之前，鈣鈦礦還有很長的路要走。穩(wěn)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(huán)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(chǎn)業(yè)界慣例，一塊太陽能電池板需要有25年的質(zhì)量保證，相當(dāng)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(nèi)長時間穩(wěn)定工作的水汽阻隔技術(shù)十分重要。目前，也有一些公司嘗試將銅銦鎵硒半導(dǎo)體等其他材料制成商業(yè)化的柔性太陽能電池產(chǎn)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(xué)成分密封在內(nèi)，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(shù)碲化鎘太陽能電池板如今已經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)評估。鈣鈦礦企業(yè)或許可以從這一成功案例中學(xué)習(xí)可靠的封裝技術(shù)和嚴(yán)格的測試方案。

美國麻省理工學(xué)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(fā)表相關(guān)文章報道了用錫代替鉛制備鈣鈦礦電池的初步結(jié)果，然而含錫電池在效率和穩(wěn)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(jīng)濟上更具說服力的理由，以吸引足夠的投資來擴大生產(chǎn)規(guī)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(shè)備進行生產(chǎn)，但還需要考慮“周邊系統(tǒng)成本”，這包括安裝材料和人力成本、安裝許可證和系統(tǒng)檢查相關(guān)費用以及其他相關(guān)的費用。

與硅電池結(jié)盟

根據(jù)目前的情況看，鈣鈦礦電池或許可以與硅電池結(jié)成“聯(lián)盟”，從而在現(xiàn)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(jié)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(lán)光或紫外光），這正好是硅所無法吸收的部分，這樣便能激發(fā)更多具有較高能量和光電壓的電子。研究者們預(yù)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(shù)的情況下就可以獲得超過30%的效率，同時，周邊系統(tǒng)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(xué)家們和工程師們帶來了其他方面的啟發(fā)，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(fā)光二極管（LED）和激光器，它們能通過冷發(fā)光過程有效地放出光。盡管針對此類新穎產(chǎn)品的研究才剛剛開始，但研究者相信，這一領(lǐng)域?qū)絹碓绞艿酱蠹业年P(guān)注。