鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。

美國俄勒岡州立大學(xué)（OSU）等發(fā)現(xiàn)，一種兩個世紀(jì)前發(fā)現(xiàn)的晶體結(jié)構(gòu)材料，可能是引領(lǐng)太陽能電池革命的關(guān)鍵。

雖然并非所有具有這種結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦材料都是半導(dǎo)體，但以金屬和鹵素為基礎(chǔ)的鈣鈦礦在光伏電池領(lǐng)域表現(xiàn)出了巨大潛能。以這類鈣鈦礦為主的光伏電池，制造成本比主流硅基電池低得多。研究人員表示，它們甚至有足夠的潛力在未來分割化石燃料在能源領(lǐng)域的份額。


OSU工程學(xué)院研究人員John Labram曾在《通信物理》和《物理化學(xué)快報(bào)》發(fā)表了關(guān)于鈣鈦礦穩(wěn)定性的論文。7月3日，他與牛津大學(xué)的研究人員，繼續(xù)在《科學(xué)》雜志中闡述了鈣鈦礦穩(wěn)定性問題。他們發(fā)現(xiàn)哌啶鹽能夠顯著延長鈣鈦礦太陽能電池的壽命。

1839年，俄羅斯礦物學(xué)家Gustav Rose在烏拉爾山脈發(fā)現(xiàn)了一種有奇特晶體結(jié)構(gòu)的鈣鈦氧化物。2009年，日本科學(xué)家Tsutomu Miyasaka證實(shí)鈣鈦礦是高效吸光材料。此后，鈣鈦礦研究逐漸升溫。Labram參與的三篇論文進(jìn)一步加深了研究人員對這種半導(dǎo)體材料的認(rèn)識。Labram說：“鈣鈦礦太陽能電池低廉的成本，有可能對化石燃料主導(dǎo)的能源市場產(chǎn)生極大沖擊。然而，鈣鈦礦材料在持續(xù)光照下的穩(wěn)定性問題是其商業(yè)化的主要障礙。”

儀器測試進(jìn)行中。

在過去的兩年中，Labram等搭建了專門的實(shí)驗(yàn)裝置來研究太陽能材料的電導(dǎo)-時間關(guān)系。他說：“通過與牛津大學(xué)合作，我們發(fā)現(xiàn)光引發(fā)的不穩(wěn)定性會持續(xù)數(shù)小時，即使沒有電接觸也是如此。這一發(fā)現(xiàn)有助于澄清在太陽能電池中觀察到的類似結(jié)果，進(jìn)而掌握提高穩(wěn)定性的關(guān)鍵。”

70年前，貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了首款實(shí)用的太陽能電池。按現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)，它的效率只有6%，并且造價高昂。隨著時間的推移，太陽能電池的制造成本逐漸降低，效率提升。

2012年，牛津大學(xué)的Henry Snaith取得了突破性進(jìn)展：除了用作敏化劑，鈣鈦礦還能作為太陽能電池的主要成分。

8年過去了，鈣鈦礦電池的效率達(dá)到了25%，至少在實(shí)驗(yàn)室里足以與商業(yè)硅電池媲美。

雖然鈣鈦礦電池能以柔性方式大批量生產(chǎn)，但它在高溫下不穩(wěn)定，并且受潮易分解。這對于一種需要有20~30年壽命的產(chǎn)品來講，是致命的缺陷。

Labram說：“一般來說，在歐美地區(qū)銷售一塊太陽能電池板，需要有25年的壽命。硅電池在這方面表現(xiàn)優(yōu)異，但它的制造條件過于苛刻，成本太高昂。鈣鈦礦的缺陷容忍度很高，它能溶解在溶劑中，然后在近室溫條件下打印出來。我們需要做的，就是提高材料穩(wěn)定性，確保它能夠有25年的壽命。”

一條可行的路線是硅-鈣鈦礦串聯(lián)電池。Labram表示，串聯(lián)電池的實(shí)驗(yàn)室效率已經(jīng)接近30%。

在未來，半透明鈣鈦礦薄膜也有望應(yīng)用于智能建筑，在保證光照的同時，提供部分電能。Labram說：“在能源生產(chǎn)方面，成本是最重要的因素。盡管歷史已經(jīng)告訴我們，針對氣候變化的政治行為在很大程度上是無效的，但如果你能用可再生能源，以低于化石燃料的成本發(fā)電，你需要做的事情就很簡單了——制造出這種產(chǎn)品，然后讓市場去處理其余的事情。”