新光伏材料在實(shí)驗(yàn)室里創(chuàng)造了奇跡，但是能夠商業(yè)化嗎？

 

 

在不同類型的太陽能電池里,，有一種產(chǎn)品脫穎而出。數(shù)十年里,，幾乎所有的太陽能技術(shù)，例如晶體硅晶片和碲化鎘薄膜都有一個(gè)緩慢穩(wěn)定的發(fā)展過程,，同時(shí)也有技術(shù)能將太陽光線的14%能量轉(zhuǎn)換為電力,。但如今一個(gè)新競(jìng)爭(zhēng)者脫穎而出：由名為鈣鈦礦的復(fù)雜晶體制成的太陽能電池。

 

 

2009年,，這種電池悄然到來,，當(dāng)時(shí)其有效轉(zhuǎn)換率為3.8%――這是一個(gè)乏味的結(jié)果，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的頂級(jí)硅光電池在實(shí)驗(yàn)室中的轉(zhuǎn)換率能達(dá)到25%,。但是,，到2011年年底，新電池的有效率翻了一番達(dá)到6.5%,，去年攀升到10%,，2013年，有效率為15%,?！斑@讓人驚訝?！币陨形捍穆茖W(xué)研究學(xué)院材料學(xué)家David Cahen說，“在太陽能電池里,，我們從未看到這樣的結(jié)果,。”

 

這種電池的發(fā)展趨勢(shì)越來越好,。鈣鈦礦是由現(xiàn)成材料制成的,，不像某些種類的太陽能電池，它們廉價(jià)而容易產(chǎn)生,。專家認(rèn)為,，這種電池還有許多改進(jìn)空間，明年效率能達(dá)到20%,。鈣鈦礦太陽能電池還有潛力與硅電池板相結(jié)合,，制造出效率達(dá)30%甚至更高的串聯(lián)電池,。

 

“它在發(fā)展?！泵绹固垢４髮W(xué)材料學(xué)家Michael McGehee說,。“它非常具有競(jìng)爭(zhēng)性,?！比鹗柯?lián)邦理工學(xué)院化學(xué)家Michael Gratzel說?！皯?zhàn)役在繼續(xù),。它的發(fā)展非常迅速，我沒有時(shí)間睡覺了,?！泵绹又荽髮W(xué)洛杉磯分校太陽能電池專家Yang Yang說。

 

 

鈣鈦礦在1個(gè)多世紀(jì)前就擺在了太陽能電池制造者面前,。1839年,，一位俄羅斯礦物學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了這種礦物質(zhì)的自然狀態(tài)。目前,，已知有數(shù)百種此類礦物質(zhì),，太陽能電池鈣鈦礦屬于半導(dǎo)體，其他家族成員從導(dǎo)體到絕緣體范圍極為廣泛,，最著名的是高溫氧化銅超導(dǎo)體,。

 

上世紀(jì)90年代，IBM華生研究中心物理學(xué)家David Mitzi使用鈣鈦礦半導(dǎo)體制成了薄膜晶體管和發(fā)光二極管,。這些裝置能夠工作,。盡管許多發(fā)光材料也能制成良好的吸光器，但Mitzi發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦太不穩(wěn)定而無法制作太陽能電池――材料必須能夠持續(xù)數(shù)十年才有商業(yè)價(jià)值,。

 

幾乎在10年之后,，Tsutomu Miyasaka朝著解決問題的方向邁出了第一步。日本桐蔭橫濱大學(xué)化學(xué)家Miyasaka及同事致力于研究染色敏化太陽能電池（DSSCs）,。與傳統(tǒng)的硅太陽能電池不同,，DSSCs包含有機(jī)吸光染料混合物，這些混合物為二氧化鈦（TiO2）等微小顆粒添加涂層,，這些顆粒被電解液包圍,。

 

在標(biāo)準(zhǔn)DSSCs里，當(dāng)染色分子吸引光子時(shí),，光能夠提高染色劑中電子的能量,，使其跳到二氧化鈦微粒上。在那里,，它會(huì)從微粒跳到微粒,，直至到達(dá)電極,，然后被收集起來，送入電路中,。同時(shí),，其他電子從電解質(zhì)跳到染色劑，并使其恢復(fù)到初始狀態(tài),。

 

Gratzel表示,，這里就有個(gè)麻煩。1991年Gratzel研究小組發(fā)明了DSSCs,，但其染色劑不能吸收所有的光,，因此降低了電池的能效。為了做得更好,，Miyasaka將注意力轉(zhuǎn)向鈣鈦礦,。他的研究小組花費(fèi)了兩年時(shí)間，尋找能使這種物質(zhì)變穩(wěn)定的秘方,。他們使用了一層薄薄的吸光鈣鈦礦層,，能效達(dá)3.8%。但不幸的是,，這種電池也包含液體電解質(zhì),，會(huì)在幾分鐘內(nèi)溶解鈣鈦礦，以致電池失效,。

 

之后,，Gratzel與韓國成均館大學(xué)的Nam-Gyu Park合作邁出了下一步。2012年,，他們宣布使用固體取代了原來的液體,，能效接近10%。現(xiàn)在,，事情開始變得有趣,。

 

 

當(dāng)其他技術(shù)還在為突破12%競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，鈣鈦礦太陽能電池為何能遙遙領(lǐng)先,？Cahen表示,，正確答案的一部分是，鈣鈦礦有近乎完美的結(jié)晶度,。這是砷化鎵和晶體硅等頂級(jí)太陽能電池材料共有的特征,。

 

在第二類電池材料中,，這種晶體排列充斥著許多瑕疵,。當(dāng)電荷快速通過晶體陷入瑕疵時(shí)，它們通常會(huì)放棄額外的能量,。制造無瑕疵的晶體通常需要超高的溫度,，或價(jià)值數(shù)百萬美元的設(shè)備,。但是鈣鈦礦能在80攝氏度下被制成，并能從溶液中簡單沉淀析出近乎完美的形式,?！坝幸稽c(diǎn)美夢(mèng)成真的感覺?！盋ahen說,。

 

今年10月，英國牛津大學(xué)Henry Snaith研究小組和Gratzel小組等宣布,，他們獲得了更完美的結(jié)果：鈣鈦礦能允許電荷在材料里穿行很長的距離,。這種被稱為載流子擴(kuò)散長度的性能對(duì)所有太陽能電池都非常重要。它用于衡量一個(gè)電子在遇到帶正電荷的電子空位或坑洞并掉入之前能走多遠(yuǎn),。在這個(gè)過程中,，電子會(huì)放棄從陽光的光子獲得的多余能量，產(chǎn)生熱能而非電力,。

 

有機(jī)太陽能電池的擴(kuò)散長度大約為10納米,。相比之下，鈣鈦礦的擴(kuò)散長度是前者的100倍,?！敖Y(jié)果是，你能收集通行了更長距離的電荷,?！盙ratzel說。

 

鈣鈦礦還有另一個(gè)價(jià)值很高的特性：產(chǎn)生電壓的效率,。例如,，在晶體硅太陽能電池中，需要從光子獲得至少1.1電子伏（eV）的能量,，從而將一個(gè)電子反沖出硅原子的束縛,，成為自由電子。然后,，電子到達(dá)電極,，再進(jìn)入電路，它們的電壓會(huì)降至0.7eV,，僅喪失了0.4eV――這也是硅在商業(yè)上取得成功的部分原因,。

 

對(duì)于傳統(tǒng)的DSSCs和有機(jī)太陽能電池而言，這些損耗約為0.7eV～0.8eV,。但是,，鈣鈦礦的損耗僅有0.4eV，與商業(yè)利益相匹配,?！扳}鈦礦的這些優(yōu)點(diǎn)非常好,。”Yang說,，“這就是我們想要的,。”Yang小組在過去10年里花費(fèi)大量時(shí)間研究有機(jī)太陽能電池,，將其效能提高到接近11%,。但是，之后他們開始研究鈣鈦礦,，“我們?cè)?個(gè)月里使其能效達(dá)到13%,。”Yang說,。

 

另外,，鈣鈦礦在吸收藍(lán)色和綠色光子方面比硅更好。鈣鈦礦的生成溫度比玻璃的熔點(diǎn)低,，工程師能夠?qū)⑺鼈冎苯愉佋诠桦姵夭Ａ繉拥捻敹?。McGehee表示，這一策略可能制造廉價(jià)串聯(lián)電池,，但是沒有人這樣做過,。

 

 

太陽能電池企業(yè)需要新的活力。近年來,，太陽能電池價(jià)格下降,，經(jīng)過殘酷的商業(yè)淘沙，大量相關(guān)企業(yè)紛紛破產(chǎn),。Gratzel指出,，風(fēng)險(xiǎn)投資公司以及科學(xué)基金機(jī)構(gòu)，對(duì)支持有機(jī)太陽能光伏電板和DSSCs等進(jìn)展緩慢研究的熱情逐漸冷卻,。他補(bǔ)充道：“相關(guān)企業(yè)的情緒非常低落”,。因此鈣鈦礦來得正是時(shí)候，“我們需要激勵(lì)”,。

 

即便如此,，在鈣鈦礦太陽能電池為進(jìn)入市場(chǎng)作好準(zhǔn)備前還有很長的路要走。首先,，Cahen說,，目前實(shí)驗(yàn)室里制造的大部分電池是微小的，僅幾厘米大,。相比之下,，硅電池板直徑能達(dá)數(shù)米。“很難生產(chǎn)較大的鈣鈦礦連續(xù)膜,。”Cahen說,。而且沒有研究人員能解決耐久性問題,。鈣鈦礦電池對(duì)氧氣非常敏感，會(huì)與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)而破壞晶體結(jié)構(gòu),，并產(chǎn)生水蒸氣,，溶解鹽狀的鈣鈦礦。更糟的是,，目前最好的鈣鈦礦中的鉛可能會(huì)濾出,，污染屋頂和土壤。

 

“這里也存在許多困難,?！盋ahen說，“此時(shí),，我是一個(gè)樂觀主義者,，并且是材料研究的信徒?！庇嘘P(guān)鈣鈦礦的諸多挑戰(zhàn)需要解決,，“該領(lǐng)域在未來幾年中將非常活躍”,。Gratzel說,。全球太陽能電池市場(chǎng)價(jià)值每年將達(dá)到近500億美元，研究人員有動(dòng)力推進(jìn)該領(lǐng)域的發(fā)展,。