？鈣鈦礦太陽(yáng)能電池因其所需的原材料儲(chǔ)量豐富，制備工藝簡(jiǎn)單且可以采用低溫、低成本的工藝實(shí)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(shí)現(xiàn)柔性化和“卷對(duì)卷”式的規(guī)模化生產(chǎn)。
為了挑戰(zhàn)硅在太陽(yáng)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(wèn)題。目前，實(shí)驗(yàn)室中的電池樣品只有指甲蓋大小，其安全性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性也有待大幅提升——對(duì)于研究人員而言，這將是一場(chǎng)艱苦的戰(zhàn)斗。
效率之戰(zhàn)
在此前對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換效率的報(bào)道中，曾有過(guò)轉(zhuǎn)換效率為20.1%的報(bào)告記錄，而晶體硅太陽(yáng)能電池的單元轉(zhuǎn)換效率最高值為25.6%。那么，為什么太陽(yáng)能電池?zé)o法將太陽(yáng)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(yáng)能電池將有望超過(guò)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(dòng)的電子中。當(dāng)陽(yáng)光照射太陽(yáng)能電池時(shí)，一些電子會(huì)吸收能量而脫離原子束縛。充滿能量的受激電子會(huì)穿過(guò)材料中的晶格向一邊移動(dòng)，或從電池的一端逸出，或遇上一個(gè)障礙或陷阱從而釋放出無(wú)用的熱量。對(duì)于硅太陽(yáng)能電池中的硅材料來(lái)說(shuō)，通常需要采用高達(dá)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(shí)，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?yàn)樽采线^(guò)多的障礙物而損失太多的能量。
但對(duì)于任何基于半導(dǎo)體材料（例如硅或鈣鈦礦）制成的太陽(yáng)能電池而言，太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能的效率總有一個(gè)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(huì)導(dǎo)致一個(gè)兩難境地出現(xiàn)：帶隙越小，電池吸收的太陽(yáng)光光譜范圍就越大，也就可以利用更多的光能來(lái)激發(fā)電子，但每個(gè)電子的能量也會(huì)更低。即使太陽(yáng)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(yáng)能。
在制造鈣鈦礦時(shí)，研究者們可以通過(guò)改變?cè)系某煞謥?lái)調(diào)節(jié)它的帶隙寬度，因此鈣鈦礦太陽(yáng)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(yáng)能電池。有預(yù)測(cè)指出，基于疊層結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池可以將太陽(yáng)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(yáng)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(guò)優(yōu)化鈣鈦礦的成分并對(duì)電池結(jié)構(gòu)中的其他功能層進(jìn)行改進(jìn)，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(jiǎn)化了電池中的一些功能層，使最新的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池看起來(lái)跟硅電池更像。正是這種簡(jiǎn)單的薄層狀設(shè)計(jì)降低了硅電池的生產(chǎn)成本，促進(jìn)了大批量生產(chǎn)。同時(shí)，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(shì)著實(shí)令人振奮。
商品化的漫漫長(zhǎng)路
不過(guò)在實(shí)現(xiàn)這些愿景之前，鈣鈦礦還有很長(zhǎng)的路要走。穩(wěn)定性是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池最致命的弱點(diǎn)。由于它們對(duì)潮濕環(huán)境敏感，暴露在潮濕空氣中會(huì)很快分解，因此必須對(duì)其進(jìn)行防水封裝。按照產(chǎn)業(yè)界慣例，一塊太陽(yáng)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(yáng)光下工作約54000小時(shí)。因此，找到一種能夠在較大溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)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(yáng)能電池產(chǎn)品，并取得了一些進(jìn)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?yàn)殁}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(yáng)能電池可以借鑒基于碲化鎘材料的太陽(yáng)能電池技術(shù)——碲化鎘太陽(yáng)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(guò)安全標(biāo)準(zhǔn)評(píng)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(cè)試方案。
美國(guó)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(xiàng)令人振奮的進(jìn)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(wèn)題的另一條途徑就是完全取消鉛的使用。一些團(tuán)隊(duì)曾發(fā)表相關(guān)文章報(bào)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(lái)，鈣鈦礦的變革者們需要給出一個(gè)在經(jīng)濟(jì)上更具說(shuō)服力的理由，以吸引足夠的投資來(lái)擴(kuò)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(jià)設(shè)備進(jìn)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(fèi)用以及其他相關(guān)的費(fèi)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(chǎng)上形成有力競(jìng)爭(zhēng)。研究人員稱，在硅層上方加一層鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，可以將二者結(jié)合并形成一個(gè)“疊層”太陽(yáng)能電池。鈣鈦礦材料能夠很好地利用太陽(yáng)光中能量較高的光（如藍(lán)光或紫外光），這正好是硅所無(wú)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(cè)，未來(lái)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(dòng)兩者制造技術(shù)的情況下就可以獲得超過(guò)30%的效率，同時(shí)，周邊系統(tǒng)成本也將會(huì)大大降低。
逆向拓展
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的迅速崛起也為科學(xué)家們和工程師們帶來(lái)了其他方面的啟發(fā)，如可以利用鈣鈦礦材料來(lái)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(guò)冷發(fā)光過(guò)程有效地放出光。盡管針對(duì)此類新穎產(chǎn)品的研究才剛剛開(kāi)始，但研究者相信，這一領(lǐng)域?qū)?huì)越來(lái)越受到大家的關(guān)注。
