鈣鈦礦太陽能電池 光伏產業新方向

數十年里，幾乎所有的太陽能技術，例如晶體硅晶片和碲化鎘薄膜都有一個緩慢穩定的發展過程，同時也有技術能將太陽光線的14%能量轉換為電力。但如今一個新競爭者脫穎而出：由名為鈣鈦礦的復雜晶體制成的太陽能電池。

2009年，這種電池悄然到來，當時其有效轉換率為3.8%——這是一個乏味的結果，因為當時的頂級硅光電池在試驗室中的轉換率能達到25%。但是，到2011年年底，新電池的有效率翻了一番達到6.5%，去年攀升到10%，2013年，有效率為15%。這讓人驚愕。以色列魏茨曼科學研究學院材料學家davidcahen說，在太陽能電池里，我們從未看到這樣的結果。

這種電池的發展趨勢越來越好。鈣鈦礦是由現成材料制成的，不像某些種類的太陽能電池，它們廉價而容易萌生。專家認為，這種電池還有許多改進空間，明年效率能達到20%。鈣鈦礦太陽能電池還有潛力與硅電池板相結合，制造出效率達30%甚至更高的串聯電池。

它在發展。美國斯坦福大學材料學家michaelmcgehee說。它非常具有競爭性。瑞士聯邦理工學院化學家michaelgratzel說。戰斗在持續。它的發展非常迅速，我沒有時間睡覺了。美國加州大學洛杉磯分校太陽能電池專家yangyang說。

正確方向

鈣鈦礦在1個多世紀前就擺在了太陽能電池制造者面前。1839年，一位俄羅斯礦物學家首次發現了這種礦物質的自然狀態。目前，已知有數百種此類礦物質，太陽能電池鈣鈦礦屬于半導體，其他家族成員從導體到絕緣體范圍極為廣泛，最著名的是高溫氧化銅超導體。

上世紀90年代，ibm華生研究中心物理學家davidmitzi使用鈣鈦礦半導體制成了薄膜晶體管和發光二極管。這些裝置能夠工作。盡管許多發光材料也能制成良好的吸光器，但mitzi發現鈣鈦礦太不穩定而無法制作太陽能電池——材料非得能夠繼續數十年才有商業價值。

幾乎在10年之后，tsutomumiyasaka朝著處理問題的方向邁出了第一步。日本桐蔭橫濱大學化學家miyasaka及同事致力于研究染色敏化太陽能電池（dsscs）。與傳統的硅太陽能電池不同，dsscs蘊含有機吸光染料混合物，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。

在標準dsscs里，當染色分子吸引光子時，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，它會從微粒跳到微粒，直至到達電極，然后被收集起來，送入電路中。同時，其他電子從電解質跳到染色劑，并使其恢復到初始狀態。

gratzel表示，這里就有個麻煩。1991年gratzel研究小組發明了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將留意力轉向鈣鈦礦。他的研究小組花費了兩年時間，尋找能使這種物質變穩定的秘方。他們使用了一層薄薄的吸光鈣鈦礦層，能效達3.8%。但不幸的是，這種電池也蘊含液體電解質，會在幾分鐘內溶解鈣鈦礦，以致電池失效。

之后，gratzel與韓國成均館大學的nam-gyupark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%。今朝，事情開始變得有趣。

越來越好

當其他技術還在為沖破12%競爭時，鈣鈦礦太陽能電池為甚么能遙遙領先？cahen表示，正確答案的一部分是，鈣鈦礦有近乎完美的結晶度。這是砷化鎵和晶體硅等頂級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。當電荷快速通過晶體陷入瑕疵時，它們通常會放棄額外的能量。制造無瑕疵的晶體通常需要超高的溫度，或價值數百萬美元的設備。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。有一點美夢成真的感覺。cahen說。

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