一種便宜、易制取、轉化率接近20%的太陽能材料

低成本是鈣鈦礦太陽能電池的一大優勢。圖片來源：RDR/FERNANDO GUERRA

　　最熱門的太陽能電池材料再次獲得進展。在近日召開的材料研究學會會議上，3個研究小組報告稱，被稱為鈣鈦礦的便宜、易制取的晶體材料打破了之前的效率紀錄。一個小組將太陽能轉化為電能的效率提高至接近20%，高于2月所報告的16.2%以及5 年前的3.8%。很少有太陽能技術曾進步如此之快。

　　“這是激動人心的時刻。”英國牛津光伏公司物理學家Edward Crossland表示。該公司致力于商業化推廣鈣鈦礦太陽能技術。“新想法源源不斷地出現。”許多太陽能專家表示，鈣鈦礦令人印象深刻的特性最終會使單個設備的效率高達25%，從而與現在的商業冠軍——昂貴的單晶硅持平。在傳統太陽能電池上分層覆蓋鈣鈦礦電池形成“串聯”電池可以使其效率升至32%。據美國能源部估測，這將使太陽能發電與煤或天然氣一樣便宜。

　　鈣鈦礦進入人們視野已近兩個世紀。但是其可將太陽能轉化為電能的能力直到2009年才被發現，當時日本桐蔭橫濱大學的Tsutomu Miyasaka將鈣鈦礦作為吸光層加入到染料敏化太陽能電池(DSSCs)設備中，效率達3.8%。研究人員很快意識到，鈣鈦礦不僅善于捕捉日光，還可以運送電荷。

　　于是科學家開始對鈣鈦礦修修補補，使其效率不斷增長。在材料研究學會會議上，美國加州大學洛杉磯分校材料學家Yang Yang報告稱，他的團隊已經制造出效率為19.3%的太陽能電池。Yang并未提供關于其團隊制造電池的細節。不過他表示，其團隊專注于對鈣鈦礦晶體缺陷的技術改善，以及設備中不同材料層之間接口的改進。韓國成均館大學化學家Nam-Gyu Park表示，這些缺陷和界面問題通常會影響電荷，阻止其到達電極。對晶體增加方式的改進令Park的團隊所研制的鈣鈦礦太陽能電池的效率達到了 17.01%。

　　對鈣鈦礦和主流材料的配對也取得了進展。斯坦福大學材料學家Michael McGehee報告稱，他的團隊所制造的太陽能電池將鈣鈦礦材料與銅、銦、鎵和硒(CIGS)合金串聯，效率為18.6%。CIGS電池本身的效率為 17%，所以在這種情況下，鈣鈦礦并未使效率增加多少。McGehee表示，這很可能是因為鈣鈦礦的電極和其他不吸光層阻止了大部分陽光到達CIGS電池中。他認為，該問題相對容易解決：因為與CIGS和單晶硅相比，鈣鈦礦吸收更偏藍色波長的光，因此在每組電極之間結合兩個吸光層可以使材料得以改善。“這是獲得20%以上效率的一個簡單方法。”McGehee說道。

　　即使鈣鈦礦的效率不能達到一定的高度，其低成本還是能成為其優勢。例如，牛津光伏公司正在努力制造基于窗戶的鈣鈦礦光伏(PVs)。使用DSSCs的窗戶PVs已經進入市場很多年，鈣鈦礦則可以改善其效率。不過，Crossland指出，目前所制造的大多數鈣鈦礦電池的色調都是褐色，很難向那些設計摩天大廈的建筑師進行推廣。在會議上，牛津大學的Giles Eperon報告稱，通過分塊而不是整體加工鈣鈦礦，他和同事制造出了中性顏色、半透明的鈣鈦礦電池，其效率可達8%。Crossland稱，如果效率為 6%的窗口PVs用于覆蓋一個和芝加哥威利斯大樓差不多大小的建筑，這些玻璃每年就會產生近5.3千瓦·時的能量。

　　不過這不能維持多久：現在，這些材料暴露于水分時會分解。盡管幾個團隊報告表示，在較低效率的前提下，他們現在可以使電池工作數百個小時。“這項技術的發展還處于非常初級的階段。”Yang說道。