鈣鈦礦結構。

美國俄勒岡州立大學（OSU）等發現，一種兩個世紀前發現的晶體結構材料，可能是引領太陽能電池革命的關鍵。

雖然并非所有具有這種結構的鈣鈦礦材料都是半導體，但以金屬和鹵素為基礎的鈣鈦礦在光伏電池領域表現出了巨大潛能。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域的份額。


OSU工程學院研究人員John Labram曾在《通信物理》和《物理化學快報》發表了關于鈣鈦礦穩定性的論文。7月3日，他與牛津大學的研究人員，繼續在《科學》雜志中闡述了鈣鈦礦穩定性問題。他們發現哌啶鹽能夠顯著延長鈣鈦礦太陽能電池的壽命。

1839年，俄羅斯礦物學家Gustav Rose在烏拉爾山脈發現了一種有奇特晶體結構的鈣鈦氧化物。2009年，日本科學家Tsutomu Miyasaka證實鈣鈦礦是高效吸光材料。此后，鈣鈦礦研究逐漸升溫。Labram參與的三篇論文進一步加深了研究人員對這種半導體材料的認識。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的能源市場產生極大沖擊。然而，鈣鈦礦材料在持續光照下的穩定性問題是其商業化的主要障礙。”

儀器測試進行中。

在過去的兩年中，Labram等搭建了專門的實驗裝置來研究太陽能材料的電導-時間關系。他說：“通過與牛津大學合作，我們發現光引發的不穩定性會持續數小時，即使沒有電接觸也是如此。這一發現有助于澄清在太陽能電池中觀察到的類似結果，進而掌握提高穩定性的關鍵。”

70年前，貝爾實驗室開發了首款實用的太陽能電池。按現在的標準，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，牛津大學的Henry Snaith取得了突破性進展：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到了25%，至少在實驗室里足以與商業硅電池媲美。

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

Labram說：“一般來說，在歐美地區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優異，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-鈣鈦礦串聯電池。Labram表示，串聯電池的實驗室效率已經接近30%。

在未來，半透明鈣鈦礦薄膜也有望應用于智能建筑，在保證光照的同時，提供部分電能。Labram說：“在能源生產方面，成本是最重要的因素。盡管歷史已經告訴我們，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電，你需要做的事情就很簡單了——制造出這種產品，然后讓市場去處理其余的事情。”